眾所周知,，TL431在開關(guān)電源(SMPS)反饋環(huán)路中是參考電壓,。該器件結(jié)合了參考電壓與集電極開路誤差放大器,，具有操作簡(jiǎn)單和成本低廉等優(yōu)點(diǎn),。雖然TL431已在業(yè)內(nèi)被長(zhǎng)期廣泛采用，但一些設(shè)計(jì)人員仍會(huì)忽略它的偏置電流,，以致在無意間降低產(chǎn)品的最終性能,。

　　TL431的簡(jiǎn)化電路圖如圖1所示，圖中包括了驅(qū)動(dòng)NPN 晶體管的參考電壓和誤差放大器,，在該封閉的電源系統(tǒng)中,，一部分輸出電壓一直與TL431的Vref(參考電壓)進(jìn)行比較。

　　圖1 TL431等效電路圖

　　圖2 SMPS簡(jiǎn)化直流模型(不考慮輸入波動(dòng))

　　轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)化直流模型如圖2所示,，Vout與Vref通過受傳輸率?影響的電阻分壓器進(jìn)行比較,，可得到輸出電壓的理論值為Vref/α。然而,，整個(gè)增益鏈路和各種阻抗均會(huì)影響輸出電壓,，如下式所示，其中每個(gè)希臘字母均表示一個(gè)增益,，RSOL表示開環(huán)輸出阻抗,。

　　Vout=(Vref-α×Vout) ×β×G- RSOL×Vout / RL (1)

　　Vout= Vref×β×G/(1+α×β×G+ RSOL / RL) (2)

　　靜態(tài)誤差=Vref/α- Vout= Vref×(RSOL+ RL)/ [α×(RSOL+α×β×G×RL+RL)] (3)

　　從式(3)中可看出，增大增益的值有助減小靜態(tài)誤差,，提高輸出電壓精度,。受增益環(huán)路影響的另一個(gè)重要參數(shù)是輸出阻抗，系統(tǒng)的輸出阻抗可用不同的計(jì)算方法得出,。任何發(fā)生器均可簡(jiǎn)化為它的Thevenin等效,，即一個(gè)電壓電源Vth (空載時(shí)測(cè)得的Vout，即令式2中的RSOL / RL =0)與一個(gè)輸出阻抗Rth的串聯(lián)電路,。設(shè)當(dāng)負(fù)載電阻RL為閉環(huán)輸出阻抗Rth時(shí),，輸出電壓Vout可減小至Vth/2，以此來計(jì)算輸出阻抗Rth,，也可將其表示為RSCL,。令Vth/2 = Vout求RSCL，由式(2)可得：

　　Vref×β×G/(1+α×β×G)/2=Vref×β×G/(1+α×β×G+ RSOL/Rth) (4)

　　RSCL = RSOL/(1+α×β×G) (5)

　　由式(5)可得出如下結(jié)論：

　　如果直流誤差放大器的增益較大,，且DC 較高,，則RsCL接近于零,；

　　由于對(duì)反饋返回路徑?進(jìn)行了補(bǔ)償，所以,，當(dāng)增益隨頻率增大而減小時(shí),，RSCL開始增大。阻抗模塊隨頻率增大而增大,，說明該阻抗類似于電感,；

　　當(dāng)增益降至零時(shí)，系統(tǒng)輸出阻抗與無反饋時(shí)的阻抗相同,，均為RSOL,。此時(shí)，系統(tǒng)開環(huán)工作,。

　　因此,，為了減小靜態(tài)誤差，并降低轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)輸出阻抗,，大多數(shù)SMPS 設(shè)計(jì)人員會(huì)在設(shè)計(jì)中保持較大的直流增益值,。這里的直流增益由TL431提供，可以采用如圖3所示的純積分器配置進(jìn)行連接,。

　　圖3 使用傳統(tǒng)的分流穩(wěn)壓器配置連接TL431

　　假設(shè)圖3中的Rbias不存在,。首先計(jì)算分壓器網(wǎng)絡(luò)Rupp和Rlow，橋接電流Ib應(yīng)大于TL431參考引腳的偏置電流6.5?A(最大值),，以減小因偏置而引起的Rupp誤差,。對(duì)于12V輸出電壓，假設(shè) Ib=1mA,。由于TL431通過Rlow施加的電壓為2.5V,，而Rupp施加的電流為1mA，因此可以計(jì)算出Rlow為 2.5 / 1m = 2.5k?,，而Rupp則等于(12-2.5)/ 1m=9.5k?,。可進(jìn)一步選擇更小的偏置電流,，以減小空載條件下的待機(jī)能耗,。橋接電流值確定后，即可計(jì)算RS,。RS必須能提供足夠的電流,，使光耦合器集電極(或反饋引腳)小于1.2V，以啟動(dòng)空載工作狀態(tài)下的跳周期,。在NCP1200中,，引腳2和內(nèi)部5V參考電壓間有一個(gè)8k?的上拉電阻。如果反饋電流為475?A,，可將引腳2拉至1.2V (Vpin2=5-475?×8k),?？紤]到光耦合器在較差情況下有50%的電流轉(zhuǎn)換比例(CTR)，則RS必須小于(Vout-2.5-1V) / 950?<8.94k?,，假設(shè)為8.2k?,。

　　在CTR為150%的較差情況下，表示LED中需要的電流較小,，如果將8.2k?電阻與TL431串聯(lián),，則會(huì)發(fā)生以下情況：

　　1. 輕負(fù)載情況：IFB = 475?A，則IL = 475?/ 1.5 = 316?A

　　2. 中負(fù)載情況：VFB = 2.3V,，IFB = 337.5?A,，則 IL = 337.5?/ 1.5=225?A

　　3. 重負(fù)載情況：VFB = 3V，IFB = 250?A,，則IL = 250?/1.5 = 166?A

　　在這種情況下,，TL431的偏置電流不僅隨著負(fù)載電流而變化,，而且也隨著光耦合器CTR的變化而變化,。此外，減小RS也不起任何作用,，應(yīng)該通過調(diào)節(jié)LED的內(nèi)部電流,，來調(diào)整控制器端的正確反饋電壓。這種情況的設(shè)計(jì)問題源自TL431的數(shù)據(jù)表：必須插入大于1mA的偏置電流,，才能從不同規(guī)格的TL431增益中獲益,。如果不能正確偏置TL431，就會(huì)降低開環(huán)增益,，導(dǎo)致?增大,，RSCL也隨之增大。

　　這一問題可通過增加偏置電阻Rbias,，在外部施加一個(gè)偏置電流而解決,。由于最缺少電流，所以必須計(jì)算此電阻在較差情況下,，也就是重負(fù)載情況和最高CTR時(shí)的值,。這時(shí)IL = 166uA。因此,，RS上的電壓為166?×8.2k = 1.36V,。假設(shè)LED的正激壓降為1V，則陰極電壓為12 -1.36-1 = 9.64V,。已知Vout恒定為12V,，通過Rbias施加1mA電流得到，Rbias = (12-9.64) / 1m = 2.36k?,，或用 2.2k?得到歸一化值,。因此,，在 TL431上施加的最小電流為 1mA + 166uA = 1.16mA。在空載情況下,，IL=316 uA ,，陰極電壓為12-(8.2k×316)-1 = 8.4V，因此,，流經(jīng)TL431的總偏置電流為(12-8.4)/2.2k= 1.63mA,，加上實(shí)際的反饋電流值316uA，總偏置電流為1.95mA,，應(yīng)處于安全電流范圍內(nèi),。

　　在NCP1200構(gòu)成的電源上進(jìn)行了有偏置電阻和無偏置電阻的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示,。沒有偏置元件時(shí),，輸出阻抗測(cè)量值為57m?；連接偏置電阻(阻值為3.3k?)后,，輸出阻抗值降至4m?,。

　　圖4 TL431偏置電流過低時(shí)性能將明顯下降

　　總之，通過外部電阻對(duì)TL431進(jìn)行正確偏置是非常重要的,。如果無法承受額外的1mA輸出電流的預(yù)算(由于要盡量降低空載待機(jī)能耗),，就應(yīng)使用TLV431 (Vref = 1.24V) 或NCP100 (Vref = 0.7V)，因?yàn)樗鼈冎恍枰?00?A的最小偏置電流,，且擊穿電壓更小,。此外，8.2k?的串聯(lián)電阻RS極為罕見,，因?yàn)樵撾娮杞Y(jié)合光耦合器的集電極上拉電阻可以產(chǎn)生直流增益,。如果電阻值約為1k或稍大于1k，則更接近標(biāo)準(zhǔn)值,。