TL431应用电路与LTspice仿真
TL431是一种常用的稳压芯片,只有阴极、阳极、基准(K、A、R)三个引脚,可以实现电压基准、比较器等多种电路。TL431等效电路如下(来自TI规格书):
需要注意的是,因为运放输出侧接了一个三极管反相,如果把整个TL431当成一个运放,那么Cathode是输出,Ref变为了负输入,而2.5V基准接在正输入,如下图:
TL431内部集成了运放和电压基准,基于这两个模块,可以通过外围电路实现多种不同的功能。
基于TL431的稳压源如下图,
R1和R2形成负反馈,根据等效电路,相当于同向比例电路,输入电压为Vref,因此输出电压为: V o = V r e f ( 1 + R 1 / R 2 ) V_o=V_{ref}(1+R_1/R_2) Vo=Vref(1+R1/R2)。
当R2开路时,可等效成电压跟随器,因此采用TL431做稳压源的最低输出电压是 V o = V r e f = 2.5 V V_o=V_{ref}=2.5\;V Vo=Vref=2.5V。如果需要更低的电压,可以使用TLV431,Vref=1.24V。
基于TL431的电压比较器,如下图,此时TL431开环工作。
输入电压Vin>2.5V时,内部三极管开启把Vout拉低,Vout=2V
Vin<2.5V,内部三极管截止,Vout=Vsup
需要注意:输出电压Vout的电平与一般比较器不同,高电平为电源电压Vsup,但是低电平约为2V,因此需要通过分压等方式对输出电压进行处理,以符合后级电路的逻辑电平。
TL431被广泛用于电源的反馈电路,集电极开路的设计特别适合用来驱动光耦的LED,实现隔离反馈输出,如下图,反激变换器的反馈电路,通过光耦实现了原副边的电气隔离。
简单介绍工作原理(后续博文中介绍参数选择与仿真):
R 1 R_1 R1和 R l o w e r R_{lower} Rlower分压,设置输出电压为 V o u t = V r e f ( 1 + R 1 R l o w e r ) V_{out}=V_{ref}(1+\frac{R_1}{R_{lower}}) Vout=Vref(1+RlowerR1)
C 1 C_1 C1是环路补偿的一部分。添加 C 1 C_1 C1后,下图电路构成一个II型反馈。影响补偿网络的元件包括: R 1 R_1 R1、 R L E D R_{LED} RLED、 C 1 C_{1} C1、 R p u l l u p R_{pullup} Rpullup、 C 2 C_{2} C2
R b i a s R_{bias} Rbias给TL431提供偏置电流。例如,TL431需要至少1mA电流才能正常工作,光耦LED压降1V,可选择 R b i a s = 1 k R_{bias}=1\;k Rbias=1k,加上LED的电流,可以保证TL431的电流大于1mA。
R L E D R_{LED} RLED用于光耦LED限流。
光耦可以简单理解为一个受控电流源,副边三极管的电流 I c = C T R × I L E D I_c=CTR\times I_{LED} Ic=CTR×ILED,其中CTR是电流传输比(current transfer ratio),与LED电流、CE电压都有关,详见光耦的规格书。
C 2 C_2 C2是光耦副边三极管的CE之间寄生电容。也可以在CE之间额外并联电容,用于调整环路补偿。
负反馈实现原理:
V o V_o Vo↑——TL431三极管Vbe↑—— I L E D I_{LED} ILED ↑—— I C I_C IC ↑—— V F B V_{FB} VFB ↓——占空比↓—— V o V_o Vo↓
LTspice是一个免费的spice仿真软件,最近刚开始学习使用,给我的印象是,
安装后可以把默认的颜色改一改,Tools-color preferences,默认灰色背景、蓝色原理图,看起来怪怪的。
因为自带的元件库中没有TL431,所以需要自己建一个。建一个TL431模型需要:一个原理图符号(symbol),和一个spice模型。
TL431 data sheet, product information and support | TI.com
下载的模型是一个文本文件(任意后缀,如.sub, .mod等等)。
注意spice模型中的.SUBCKT 一行,定义了模型名和几个引脚。
* REFERENCE
* | ANODE
* | | CATHODE
* | | |
.SUBCKT TL431 1 2 3
如果不想自己画原理图符号,就直接在LTspice中,file-open,打开刚才下载的spice模型,选中.subckt
一行,点击 create symbol
,自动生成一个模型,主要问题是生成的符号不太直观。
可以基于自动生成的符号略加修改。注意几个端口有显示的名称(label)和网表编号(Netlist Order),其中网表编号要和spice模型对应(比如,上文的spice模型中,1脚是reference,原理图符号的1脚也应是reference),否则仿真会报错。
\Documents\LTspiceXVII\lib\mysub
。在tools-control panel-sym&lib search path
中,添加这个路径。component
(或快捷键F2
),在弹出窗口中,Top Directory
选择刚才设置的路径mysub
,可以看到出现了刚才绘制的符号,双击TL431
放置元件到仿真模型中。Edit-SPICE Derivitives
,输入.include TL431.sub
,添加对应的Spice模型。最后,放置一些电阻电容,连线,搭建一个稳压源,如下图。
U2
的名称为TL431
,应与spice模型中.SUBCKT TL431 1 2 3
一致V
放置,在符号上右键单击后设置,如下图是设置了一个准方波,周期1ms。先仿真看下时域波形。Simulate-edit simulation cmd
,修改仿真设置。
(也可以像上一步中一样,添加Edit-SPICE Derivitives
,直接输入.tran 3m startup
,放在仿真模型中,效果相同。)
仿真运行后,可以在原理图的元件、线路上单击,可以查看对应位置的电压电流波形,也可以输入表达式,如V(out)/V(in)
。
比如,下面波形上半部分是输入和输出的波形,可以看到输入是方波,低电平15V,高电平30V,而输出稳定在10V。下半部分是输出V(out)放大后的波形,可见输出电压随着输入有微小的波动。
修改仿真模式为DC sweep
,设置如下图,或者.dc V1 15 30 1
。对输入电压V1进行扫描,可以看到搭建的稳压源的输出电压随着输入电压的变化情况(line regulation)
仿真结果如下图,注意到横坐标变成了输入V1的电压值。