学别人（二）TL431

一、一个经典的并联稳压器TL431。打开TI官网找到431芯片：

可以看到431依然在供货，这都卖了多少年了，当然又是在推荐TLA431。注意几个点：
1、输出电压标称值2.495V；
2、初始精度有0.5、1、2三种，为B级、A级、S级，适合不同场景，不同价格；
3、TC为92ppm，意味着温度每变化1度，输出电压变化0.23mV；
4、输出电压可调节，范围为2.495~36V；
5、最小静态电流400μA，最大带载电流100mA，意味着使用时可能需要设定最小下拉电阻。
6、工作温度可以-40~125，但并不是全系都可以满范围，按温度范围划分为C级 (TL43xxC)：0~70℃、I级 (TL43xxI)；-40~85℃、Q 级 (TL43xxQ)：-40~125℃。
另外，TI提示到，TL431可以作为普通稳压二极管的上位代替，因为431的输出电阻仅有0.2ohm，不管外部流过5mA还是50mA电流，它的输出电压变化很小。另外，虽然最小静态电流400μA，但是TL提示为了可靠性，外部设计的电路，必须保证至少有1mA电流漏进芯片，最大100mA，再大就要冒烟。TL432和431内部其实是一样的，只是封装不同。
下面是一个电路实例：

这就是2.5V输出的应用吧，VKA为阴极，当输入电压经过限流电阻试图升高，芯片发现自己头顶的电压超过2.495V，就会立刻往下猛抽电流。因为上面有那个电阻的分压作用，它最终会精确地通过改变IKA的大小，把电压稳在2.495V。
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二、电路分析

TL431的巧妙之处就在于它把BGR Core和EA融合到了一起。接下来我们来分析电路：
1、首先是温度补偿。V3和V4这里一看就是BG Core，V4大概会是V3的N倍，于是800ohm电阻上产生PTAT电流。假设V3和V4的C电压相等，于是在2.4kohm电阻和3×2.4k=7.2kohm电阻上分别产生3IPTAT、IPTAT，正温补偿电阻3.28kohm上获得4IPTAT电流。于是，输出参考电压VREF=VBE1+4IPTAT×3.28k+IPTAT×7.2kohm+VBE3=2Vg0=1.25×2=2.5V，这就是标称值2.495V的由来。问题在于，Brokaw结构中的两个集电极电压一般需要靠EA钳位，这里并没有，那么关键就变成，什么让V3和V4的集电极电压相等？
2、V3和V4的集电极电压钳位。V3集电极电压即VBE3，V4集电极电压为VBE5，因此，这里虽然手册中未提到，我大胆猜测这里一定有，V3和V5面积相等，且偏置电流几乎也相等，或者至少相差在精度考虑范围内。由于I5=I6=I7=I8=I9+IB10，假设不考虑IB10，则有I5=I9，而为了使得VBE3=VBE5，在这里又大胆假设，V9和V3的大小也是相等的，使得I3=I9，于是I3=I5，于是得到VBE3=VBE5。这里BG Core内的小负反馈环路起到EA的作用，将俩集电极电压钳位住，或者忽略V6和4kohm电阻，第三、四支路就可以看成一个内嵌的EA，这就是为什么说431将BG Core和EA融合得很巧妙。EA环路看为V5-V6-V7-V8-V9。
3、各个电阻的设计。V7和V8的射极退化电阻设计属于常见的设计，PNP做得很差，采用0.8kohm的电阻做degeneration，V7和V8谁的电流偏大了，退化电阻就降低谁的VBE，进而减小Mirror的误差。V9的基极串了1kohm电阻，一方面可以隔离基准核心节点防止高频干扰反窜，另一方面限制了微弱的基极抽流，保护基准源不会被过度吸干。V10的射极退化电阻，是一种保护电阻，在上面给的产生2.5V基准电压的典型应用电路中，芯片阴极和VREF端实际上是短接的，当外部输入电压从VREF~36V变化时，431芯片的作用就是保证芯片上的压降始终维持在2.5V，当输入电压增大，那下面的等效电阻就减小（或者说431通过吸收更多的电流维持压降）。在这种应用中，VREF在未稳定时可能就会比2.5V大，于是V1将这种增大射随到V10的基极，若对V10没有限制，则巨大的IE10会又一次被β倍增给V11，巨大的IB可能会击穿V11的基结（maybe），因此我觉得这个150ohm电阻就是保护V11的电阻。V11上的10kohm电阻作用类似，当电压降低回2.5V时，V11的IB被切断，但是B里大量的电子没出跑可能导致V11很难关断，于是设计10kohm电阻提供下拉路径。
4、各个电容的设计。V5上的20pF电容，理解为Cc电容，借助V5的高增益在此处产生一个低频极点，压低带宽但是带来稳定性。V10上挂的20pF电容，理解为滤波电容，该节点上面是V8在往下灌电流，下面是V9在往地里抽电流，它们的微小较量都会转换成这里剧烈的电压波动，然后这个剧烈的波动去驱动后面那个反应极其暴烈的达林顿输出，一旦环境中有哪怕几个毫伏的射频干扰穿透了电源，或者地线有高频毛刺耦合到了这根极高阻抗的线上，就会引起后面达林顿管子的激烈变化。另外，这第二个电容除了为该高阻节点滤波外可能还有第二个作用，即与Cc配合起来的环路补偿作用。Cc得到了低频极点之外，引入了一个前馈零点，可能这里的CL还有补偿该零点的作用。前馈电流可以被该CL电容旁路到地。
5、各个二极管的设计。第一个二极管是V2，作为钳位保护作用，当外部电路突然出了故障，产生一个极快极大的正向电压浪涌（如 ESD静电或者瞬间拔插电源）直接输入到VREF引脚，此时该高压信号必须从V1-V5-V6-V7-V8才去驱动达林顿管将高压下拉，有了V2之后，高压信号顺着V2可以很快地传递给达林顿管（此处不确信）。第二个二极管在V10的基极处，也是保护作用，当外面的阴极电压发生极其剧烈的向下负跳变（如开关电源发生重载短路瞬间）时，电容将负压耦合给该节点，V9的基极是N区，当N区电压低于-0.7V时，极大概率PN结导通Latch up住了，而该diode将节点电压可能至少托举到-0.7V以上。第三个二极管直接跨在阴极和阳极之间，一来作反接保护，谁要是把芯片接反了，大的负压可能把所有N管烧毁了，该Diode起到限制作用，属于一种防呆设计吧，二来，可能还有ESD作用和类似续流二极管的作用。
6、最后，回归到上面2.5V经典应用案例中，当输入电压从2.5V到36V变化时，431是如何保持VREF=2.5V的？推演Vin从2.5V增大到36V时，431内部的工作过程：外界的VIN飙升到36V，通过限流电阻R，试图向阴极VK即VREF灌入巨大的电流，VK企图升高，VREF假设增加了1mV，于是V3和V4的电流都增大，V5电流增大，传递给V7-V8，于是V1O的基极被灌入电流（前半部分带增益的），V10倍增过的电流又开启V11，不管V11大不大（但估计挺大的），都拿到了很大的电流将VK下拉回来到2.5V。当然，在不同外部输入电压下，431需要吞下不同大小的电流以维持2.5V，于是驱动达林顿管的电流大小就不同，于是输入端的误差就不同，但无论怎么讲，由于开环增益的存在，该误差绝对是很小的，从而保证输出的精度。另外，最高36V输入可能跟TI工艺里管子的耐压有关。这里又回归一下，前面有个东西叫IB10我们说暂时忽略，其实我觉得也确实能忽略，正是由于达林顿管的设计，很小的IB10就能驱动很大的阴极-阳极泄放电流，因此IB10肯定也不会大，从而I8和I9应该也不会相差太多。
7、带载能力感觉比较一般。毕竟431本身需要消耗1mA的功耗，如果直接并个负载，重载下给不到431那么多电流时431也会失效。
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三、应用电路举例
1、并联稳压器，负载直接并联到阴极，通过调节R1的大小调节自定义输出电压。

2、扩流的并联稳压器，VIN限流电阻限制了最大电流，假设是1A。当负载突然断开或者变轻，VO要增大时，431内部的达林顿管从阴极向阳极下拉大电流，该大电流被外面PNP电阻强化放大，于是1A电流全部被PNP管吸入地，不影响431主体；当负载突然变得特别重，PNP闸门减小，只用吃100mA，剩下0.9A可以给负载吃。

3、扩流的串联稳压器，若负载变重，VO要下降，431检测到，减小内部达林顿的电流吸收，多余电流驱动外部2N222的达林顿管，向VO补充大电流，若负载变轻，VO要增加，相反的道理。

4、比较器，利用大的开环增益。当VIN比2.5V小时，431相当于断开，Vsup通过限流电阻向INV输入一个1，反相器输出0；当VIN比2.5V大时，431阴极向阳极下拉大电流，向INV输入0，INV输出为1，实现比较。

5、高效5V恒压源，电池通过偏置电阻给上方的NPN管基极供电，NPN管得到了基极电流导通，把电压送到输出端。当输出电压企图超过 5V时，VREF检测到大于2.5V，431 导通，从Rb把本该流向三极管基极的电流抽走到地，NPN 管基极电流减小，输出电压得到降低。在这个电路里，负载不用电时，三极管就关小，一点也不浪费电，所以叫高效。

6、精密电流限制器，431阳极悬浮不接地，于是431仅检测RCL两端电压是否达到2.5V而已。假设RCL=1ohm，一开始，输入电压通过R1给NPN管注入基极电流，三极管导通，电流流过RCL给负载。当电流达到2.5A时，RCL两端电压达到2.5V，431导通，把基极电流抽走，使得输出电流可以钳位在2.5A。注意，IOUT表达式还有个IKA，这是431固有电流1mA，在做大电流时可以忽略。控制电路在电源和负载之间，这属于高边恒流。

7、精密恒定电流沉，就像一个底部的抽水机，无论上面的负载是什么，它只以绝对恒定的速率往下抽电流。控制电路在负载和地之间，这属于低边恒流。

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我乱学的，乱讲的。下次说串联稳压和并联稳压。