【導(dǎo)讀】本文從一個(gè)全新的角度對(duì)TL431 的工作原理進(jìn)行了非常詳細(xì)的分析，為大家提供了另一種思路，從側(cè)面幫助大家多進(jìn)行思考，從不同的角度來(lái)觀察問(wèn)題。
TL431 有著較為特殊的動(dòng)態(tài)抗阻，是一種較為精密的可控穩(wěn)壓源，在電路當(dāng)中，TL431 也作為一種并聯(lián)型的穩(wěn)壓電路來(lái)使用，當(dāng)然使用方法并不局限在這一種，其還能夠作為串聯(lián)或電壓基準(zhǔn)來(lái)使用。TL431 的主要作用是使電路獲得更加穩(wěn)定的電壓，雖然人們都知道使用TL431，但是并沒(méi)有幾個(gè)人對(duì)其工作原理進(jìn)行深入的剖析，本篇文章就將為大家介紹關(guān)于TL431 工作方式的另一種理解方式。
說(shuō)到TL431 的工作方式，很多人想到的必然是TL431+PC817 的電源電路。其實(shí)任何基于431 手冊(cè)中的穩(wěn)壓電路，都可以有合理的電路模型。
而TL431 和PC817 的反激電源中的TL431,卻無(wú)法，或很難解釋。
圖1：TL431 的內(nèi)部原理圖
首先，這里有一個(gè)最最基本的問(wèn)題。當(dāng)TL431 正常工作在穩(wěn)壓電源中的時(shí)候，Cathode 的電壓是多少?大家想過(guò)這個(gè)問(wèn)題嗎?
圖2：TL431 常用穩(wěn)壓電路
對(duì)于如圖2 的TL431 常用穩(wěn)壓電路，C 的電壓是確定的。
由電源電壓減去電阻電壓，就可以得到。因?yàn)镽EF 的電壓因?yàn)樨?fù)反饋而穩(wěn)定就使2.5V.但TL431+PC 817 中的TL431,卻沒(méi)有明確的Cahode 電壓！
圖3：反激電源中的TL431
通過(guò)TL431 的內(nèi)部電路，可以看出，Cathode 的電壓不應(yīng)該低于2.5V。因?yàn)橹挥蠧athode 的電壓高于2.5V,Q1 的這個(gè)三極管，才可以工作在放大狀態(tài)。如果低于2.5V，那么Q1 會(huì)進(jìn)入飽和方式，而失去放大作用。不難看出，此時(shí)，Q2、Q3、Q4 等三極管也會(huì)失去放大作用而飽和。
三極管飽和的方式，肯定不是TL431 的設(shè)計(jì)者，最初的想法，他的想法，肯定是要讓這些三極管工作在放大方式的。C 低于2.5V,在反激的431 中，不會(huì)出現(xiàn)2.5V 流向5V 的電流，假設(shè)反激電壓為輸出5V.如果REF 電壓高于C,電流也是從集電極到發(fā)射極的流動(dòng)方向。最好的情況是，3.28K 電阻之下的電路工作正常，而可以輸出1.5V 左右的基準(zhǔn)電壓。
而最好的情況是，假設(shè)即使Cathode 低于2.5V,431 也可以反饋正常工作。對(duì)于TL431 組成的穩(wěn)壓電源，必須提供431，手冊(cè)說(shuō)的1mA 的Cathode 到Anode 的工作電流。
但是，在反激電壓的TL431 中，這根本就不需要!這一點(diǎn)，需要特別注意。因?yàn)閮H此一點(diǎn)，就徹底否定了LED 并聯(lián)電阻的，毫無(wú)意義的做法。
對(duì)于TL431 手冊(cè)中的穩(wěn)壓電源電路，必須提供1mA 電流，才可以正常工作。而反激電源中的TL431,在C 到A 的電流為0 的時(shí)候，恰好是UC3842 輸出最大占空比的時(shí)候，這必然產(chǎn)生輸出電壓，而使得TL431 工作。
所以，在反激電源中，根本不需要關(guān)心TL431 的電流問(wèn)題，特別是啟動(dòng)的時(shí)候。這是必然會(huì)產(chǎn)生的。
試想，UC3842 的反激電源啟動(dòng)了，此時(shí)，沒(méi)有輸出電壓。TL431 也沒(méi)有電流，不工作。但UC3842 因?yàn)槠渲械倪\(yùn)放會(huì)輸出最大的1mA 電流，流向了1V 穩(wěn)壓管并聯(lián)的電阻，而導(dǎo)致設(shè)定的占空比最大，而輸出電壓逐步上升。
隨著5V 電壓的逐漸增大，TL431 的C 和A 之間如果不導(dǎo)通，那么其CA 電壓會(huì)5V 左右，這會(huì)與TL431 的輸出電壓電流IV 曲線出現(xiàn)矛盾，所以TL431 必定會(huì)在CA 間產(chǎn)生電流。而5V 的分壓電阻，在REF 產(chǎn)生2.5V 左右電壓，導(dǎo)致TL431正常工作。
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LED 電流對(duì)應(yīng)一定的輸入電壓和負(fù)載電阻。就是說(shuō)，如果輸入電壓固定，負(fù)載一定，那么就會(huì)有與之一一對(duì)應(yīng)的TL431 的C 到A 的電流，就是LED 電流。如果兩者，有一個(gè)或2 個(gè)都改變，那么LED 電流，必然改變。所以，最大的輸入電壓，和最小的負(fù)載電阻，對(duì)應(yīng)最小的LED 電流，可以是0。
最小的輸入電壓，最大的負(fù)載電阻，對(duì)應(yīng)最大的LED 電流。幾個(gè)mA.請(qǐng)注意，無(wú)論如何，TL431 在CA 電流為0，就是LED 電流為0 的時(shí)候，是無(wú)法工作的。但此時(shí)UC3842 輸出最大占空比，而導(dǎo)致，TL431 會(huì)逐漸開(kāi)始工作。
就是說(shuō)，反激電源中的TL431，C 到A 的電流是可以為0 的，而這對(duì)應(yīng)最大的占空比。我們的目的，是讓UC3842 產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的占空比，對(duì)于TL431 是否工作，這不重要!但只要產(chǎn)生足夠的輸出電壓，TL431 必定負(fù)反饋正常工作。但因?yàn)閁C3842 的電流變化只有1mA，如果TL431 的LED 電流變化達(dá)到10mA，那么9mA 的調(diào)節(jié)死區(qū)，會(huì)給輸出電壓，帶來(lái)振蕩。所以，這就是我們需要串聯(lián)Rled 這個(gè)電阻的唯一原因。
這個(gè)電阻，無(wú)法用頻率補(bǔ)償?shù)哪翘追椒ǚ治鲇?jì)算。到目前為止，只能定性理解。至少，因?yàn)門L431 一旦沒(méi)有電流，就不可能有電路模型高頻的!這個(gè)Rled 電阻，對(duì)于輸出電壓的動(dòng)態(tài)過(guò)程產(chǎn)生影響。
越大越好，因?yàn)長(zhǎng)ED 電流變化就小了，比如說(shuō)，變成了5mA 的變化范圍，就比10mA 的9mA 死區(qū)，輸出電壓電振蕩小不少。一般來(lái)說(shuō)2mA 足以了。但確實(shí)是不好計(jì)算。因?yàn)槲覀儾恢溃?mA 的LED 電流，TL431 的cahoce 電壓為多少。所以就沒(méi)有辦法來(lái)計(jì)算Rled 這個(gè)電阻的大小。
假如認(rèn)為TL431 的C 電壓必須不低于2.5V,那么，這依然不符合實(shí)際情況。因?yàn)樽畲骍C3842 輸出占空比時(shí)候，TL431 的電流就可以為0 的。但還是假設(shè)這么算，C 不低于2.5V 的話，就按2.5V 來(lái)算。
Rled=(5-1.5-2.5)V/2mA=500 歐姆。
圖4
對(duì)于TL431 的設(shè)計(jì)理念，不管其設(shè)計(jì)者，最初是否如下圖所示，圖4 的原理與TL431 是完全一樣的。因此，TL431+PC817 的確是個(gè)，到目前為止，使用眾多的電路。
最好的，最合乎情理的，方法就是用運(yùn)放，用TL431 提供電壓基準(zhǔn)的方式，比如那個(gè)著名的使用LM258 的輸出有2 個(gè)二極管的恒壓恒流電路。因?yàn)檫@個(gè)電路是可以用正常的理論方法，進(jìn)行分析和計(jì)算的。而TL431+PC817，是無(wú)法計(jì)算的!敢算的是概念錯(cuò)誤!
是的，我們可以說(shuō)，TL431+PC817 是正確的電路，因?yàn)榈拇_可以正常工作，只是因?yàn)門L431 的工作方式問(wèn)題，會(huì)對(duì)于動(dòng)態(tài)過(guò)程，產(chǎn)生振蕩，或其他不可思議的問(wèn)題。因?yàn)檫@不是一個(gè)，目前的理論，能夠解釋和分析計(jì)算的。
使用運(yùn)放的反激電路，基本都是可以用現(xiàn)有理解分析計(jì)算的，所以問(wèn)題不大。這就是兩種方式的主要區(qū)別。
使用TL431+PC817 的唯一原因就是成本問(wèn)題。但從負(fù)反饋的原理來(lái)說(shuō)，是正確的，但過(guò)度的動(dòng)態(tài)過(guò)程，不好說(shuō)。
再明確一點(diǎn)就是，TL431 可以工作在非正常方式，而產(chǎn)生負(fù)反饋?zhàn)饔谩＞褪钦f(shuō)，C 的電壓低于2.5V，依然可能可以有正常的負(fù)反饋?zhàn)饔谩?/div>
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而要計(jì)算的話，就要假設(shè)，TL431，只能工作在C 不低于2.5V 的情況下。因?yàn)閁C3842 輸出最大占空比時(shí)，TL431 的電流可能為0.1mA，而0.1mA 不足以使TL431 正常工作，但在整個(gè)電路的調(diào)節(jié)過(guò)程中，TL431 不正常工作，依然在現(xiàn)實(shí)中，調(diào)節(jié)了輸出電壓，而讓人們覺(jué)得這沒(méi)有問(wèn)題。
如果非要定量計(jì)算，也是要把TL431 當(dāng)作跨導(dǎo)放大。傳遞函數(shù)是gm*A/(Ts+1)的形式。而此時(shí)，與電阻Rled 無(wú)關(guān)!這是需要特別注意的。Rled 就是限制電流的作用，但我們卻無(wú)法計(jì)算這個(gè)電阻。但設(shè)置一個(gè)Rled 電阻值，就可以知道最大不可能超過(guò)的電流，畢竟我們也不希望TL431，因?yàn)闆](méi)有電阻限流，而流過(guò)100mA 電流。
Rled 能否對(duì)調(diào)節(jié)產(chǎn)生作用?定性來(lái)說(shuō)可以，越小，雖然可能振蕩的情況增大，但畢竟調(diào)節(jié)還是比較快的。Rled 大，那么調(diào)節(jié)速度就可能變慢，但振蕩小。
那么，為何假設(shè)TL431 正常工作的，跨導(dǎo)模型，無(wú)法證明Rled 的作用呢?因?yàn)槔硐氲男⌒盘?hào)模型，在現(xiàn)實(shí)中，是不存在的!這是一個(gè)無(wú)法小信號(hào)化的，嚴(yán)重的非線性電路。如果TL431 無(wú)法小信號(hào)化，那么所謂的II 型補(bǔ)償，從何談起呢?如果全面測(cè)試的結(jié)果，表明，TL 431+PC817 的反激電源正常工作，看來(lái)我們也只能相信了。
這些根本毫無(wú)道理的補(bǔ)償方法，居然真的起作用了。當(dāng)然了gm 是隨LED 電流變化而變化的，LED 電流越大，那么gm 也越大，開(kāi)環(huán)的增益也越大，故LED電阻越小，穿越頻率越大，就反應(yīng)越快。終于對(duì)上號(hào)了! 呵呵
那么，gm*A/Ts+1 的模型就可以用了，但人們貌似還都不是這么用的。因?yàn)椴徽f(shuō)gm 很難得到，就是A 和T 也是不知道的。好在，人們用的是PID 等補(bǔ)償方法，可以把運(yùn)放或TL431 看作理想的。
PID 之類的確是個(gè)好主意。要是換上7805 類的補(bǔ)償，還真沒(méi)辦法!積分真的太有用了，不是為了消除靜態(tài)誤差，而是可以把運(yùn)放當(dāng)作理想的。為了證明431 的電流控制方式，II 型補(bǔ)償依然有效，進(jìn)行了如下推導(dǎo)計(jì)算。
圖5
圖6
因?yàn)閂ref 上電后就是穩(wěn)定的了，所以被Rled*(R1+R2)除以后，很小，視為0。
得到框圖如下：
圖7
這依然是個(gè)復(fù)雜的反饋。還不是那種單環(huán)路的反饋框圖形式。無(wú)法用現(xiàn)有的頻率補(bǔ)償方法。
這是需要了解的。但是，如果把Vo/Rled 視為擾動(dòng)的話，那么就可以變成如下的標(biāo)準(zhǔn)形式了。而且，這個(gè)假設(shè)，視為輸出電壓縮小Rled 倍后為擾動(dòng)，很是合理。
圖8
于是乎，基于上述假設(shè)，我們得到了，一個(gè)單回路反饋的標(biāo)準(zhǔn)形式。也就說(shuō)明了，II 型補(bǔ)償，對(duì)于TL431 型反饋電路來(lái)說(shuō)，補(bǔ)償可以看作有效。費(fèi)這么大勁才能證明這么一個(gè)看似無(wú)需考慮的問(wèn)題，這是人們把TL431 視為電壓型運(yùn)放的錯(cuò)誤的思想導(dǎo)致。為了證明II 在反激中有效，恐怕還是需要向本大師一樣，如此推導(dǎo)計(jì)算的。
然而這依然是個(gè)復(fù)雜的反饋，比電壓型運(yùn)放的反饋，復(fù)雜。電壓型反饋，只有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的反饋回路，開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)，一目了然。而這個(gè)電流的復(fù)雜多了。如果不是把Vo/Rled 視為擾動(dòng)，我們幾乎很難用通常的補(bǔ)償方法補(bǔ)償。最后，需要指出的是，只有教科書(shū)中開(kāi)關(guān)電源電路，才是唯一符合補(bǔ)償方法的。例如PID，II 型等補(bǔ)償方法。對(duì)于TL431+PC817 的反激電源，并不適合。所以，書(shū)本里的電路，符合控制原理的方法。主要還是單回路控制。一目了然。幾乎為降低成本的設(shè)計(jì)，例如TL431+PC817，用通常的方法，是無(wú)法分析的。必須做出一些假設(shè)才行!這個(gè)道理，是使用TL431+PC817 進(jìn)行II 補(bǔ)差的人，所不知道的!
電子電路中有很多不符合控制理念的反饋電路。這個(gè)就是其中第一個(gè)。電流和電壓的所謂ACM 控制，也是不符合控制原理的，所謂的貌似可以在電子電路里多數(shù)情況工作良好的電路。只能說(shuō)，反激電源，如果理解成雙環(huán)反饋，還是可以行的通的。條件是輸出電容足夠大，在幾個(gè)開(kāi)關(guān)周期，不會(huì)造成輸出電容電壓的較大變化。這樣就可以理解為串級(jí)控制。
TL431 其實(shí)就是帶基準(zhǔn)的比較器(高增益)，與PC817 一起使用解釋不是什么難事。難事就是怎么樣讓比較器輸出為線變化(這就扯到了補(bǔ)償)。PC817 實(shí)際就是一個(gè)隔離的線性放大器。
