浅谈一下TL431的工作原理和用法

TL431是一个三端可调分流并联稳压器，提供良好的温度稳定性。典型的动态输出阻抗为0.2Ω，阴极电流调节范围为1-100mA，可以实现2.5V-36V可调的稳压值。可用作并联稳压器，串联稳压器、开关调整控制电路、参考电压等，应用广泛。

尽管如此，但我发现一些对于TL431的讲解并不能让人一目了然，在应用的过程中还是会有很多疑惑，因此秉着分享经验、记录学习的目的和大家讨论一下TL431的工作原理和用法。

一、简单描述

1.符号和封装

图1.符号                                                         图2.封装形式

431系列基准稳压源的符号多如图1所示，看起来像稳压二极管，但别稳压二极管的符号多了一个参考端R。

根据不同的生产厂商有不同的封装形式，具体可参考各个厂商TL431数据手册。

2.功能框图

 图3.功能框图

如图3所示，为TL431的内部功能框图，但并不是其真正的内部构造，只是用来简单辅助说明一下原理。假设电源正极连接阴极K端，电源负极连接阳极A端。当参考端R端电压>2.5V时，运放输出低电平“1”，三极管基极电压为高，则三极管集电结和发射结导通，相当于阴极和阳极导通，会拉低K端电压，则需要在电源正极和阴极之间接一个限流电阻；当参考端R端电压<2.5V时，运放输出低电平“0”，三极管基极电压为低，则三极管集电结和发射结均反偏，三极管截止，并联二极管也截止，此时VKA=电源电压。

疑问：这里注意当R端电压>2.5V电压时，运放输出为高电平，那此时三极管处于放大状态还是饱和状态呢？

后面测试说明三极管处在饱和区。

  图3(a).三极管导通时                                        图3(b).三极管截止时

二、测试电路

1.门限输出电压测试

 图4.电压测试电路图

如图4所示，在TL431的参考端接一可调电压源，在电源输入端和K端之间接一限流电阻和LED灯，在输出端接一万用表检测输出电压VKA大小。

测试结果表明，当R端电压源电压低于2.5V时，LED灯不亮，且输出电压VKA较大，为17.36V左右，说明VREF<2.5V时，TL431是截止的；当R端电压源电压高于2.5V时，LED灯亮，且输出电压VKA较小，为1.9V左右，说明VREF>2.5V时，TL431是导通的，K端电压被拉低，LED灯导通发光。并且随着VREF（2.5-2.7V）的升高，VKA是降低的，但降低不明显（1.945-1.8V变化），说明当VREF升高时，图3(a)中三极管基极电流IB增大，则集电极电流IC增大了一点点，使得限流电阻上分压也增大了一点点，则VKA的电压被拉低了一点点，三极管处于饱和或临界饱和状态。

2.2.5V稳压电路测试

 图5.2.5V稳压电路测试图

（1）测试电路

如图5所示，在输入端接一可调电压源Vin，限流电阻R为2.7K，将TL431的K端与R端接在一起，在输出端接数显万用表测试VKA。

注：由于431只有拉低电压的能力，没有升压能力，要做到稳压，电压源Vin必须要>2.5V，这里Vin初始值为20V。

（2）电路分析

起初当VKA>2.5V时，431导通，K端和A端短接，K端电压被拉低到VKA<2.5V，则431立马截止，K端和A端断开，K端电压又升高到>2.5V，431再次导通，如此循环往复，由于导通截止是一个较快的过程，使得VKA最终稳定在2.5V。

（3）测试结果

Vin为20V时，输出电压VKA=2.51V，降低或增大Vin，VKA均不变，达到了稳压效果。

注：Vin的大小需使得IKA在1-100mA之间，即1mA<(Vin-2.5)/R<100mA，保证调节Vin使得5.7V

3.可调稳压电路测试

图6.可调稳压电路测试图

（1）测试电路

如图6所示，在输入端接一可调电压源Vin（初始设置为20V），限流电阻R为2.7K，R1为10K电阻，R2为10K可调变阻器，在输出端接数显万用表测试VKA。

（2）电路分析

上电后，TL431还未导通之前，IREF=0，根据串联分压原理，VREF=VIN/(R+R1+R2)*R2=8.81V,则VREF>2.5V，TL431导通，则VKA被拉低。VKA被拉低后，导致R1、R2上分压降低，则VREF降低，当VREF降低到<2.5V后，TL431截止，VKA电压又上升，R1、R2上分压增大，VREF电压又回升，当VREF电压回升到>2.5V后，TL431又导通，VKA又被拉低，如此循环往复。因此参考端的电压始终动态稳压在2.5V。

那么如何分析输出端VKA的电压呢？

根据之前的功能框图，431参考端R端接在运放的同相输入端，理想情况下，当运放的输入阻抗在兆欧以上，可以根据“虚断”原则认为运放的输入端无电流，即IREF=0，且VREF=2.5V，因此

查看手册可知，Iref最大为4uA，实际VKA便多了一项Iref*R1，mV级别（4uA*10KΩ=40mV）的电压。

（3）测试结果

当R1=10K，R2=10K时，输出电压VKA=5.094V，调节电源电压Vin的值，输出稳压值保持不变，始终为5.094V。

调节R2，减小R2的阻值，VKA增大，且调节电源电压Vin的值，输出稳压值保持不变，符合上述分析。

总结

基于上述三个测试电路分析了TL431的工作原理，TL431可实现开关控制、2.5V-36V稳压输出，实验者可自行测试。其实在实际使用中，431系列基准稳压源的工作原理基本一致，比如LTL431，可作为TL431的替代，在之后的博客中，会分享431基准稳压源在开关电源电路中的应用。