TL431：近半世紀(jì)長(zhǎng)盛不衰的模擬芯片傳奇

一枚三引腳器件，集成帶隙基準(zhǔn)、誤差放大器與輸出晶體管—— 這款經(jīng)典芯片在近五十年來始終占據(jù)行業(yè)核心地位。

20 世紀(jì) 70 年代末，德州儀器（TI）推出 TL431 時(shí)，它并非以革新者姿態(tài)問世，而是作為溫度補(bǔ)償型齊納二極管的更智能替代方案：無(wú)需復(fù)雜設(shè)計(jì)，就能以低成本獲得精準(zhǔn)的 2.5V 基準(zhǔn)電壓。

TL431 常被工程師稱為 “可編程齊納管”

但設(shè)計(jì)師們很快發(fā)現(xiàn)，這款小型可調(diào)并聯(lián)穩(wěn)壓器的潛力遠(yuǎn)不止于此：它成為隔離式開關(guān)模式電源（SMPS）的標(biāo)準(zhǔn)誤差放大器，是數(shù)千種反饋環(huán)路的核心部件，更化身通用模擬構(gòu)建模塊，出現(xiàn)在所有齊納二極管無(wú)法勝任的電路場(chǎng)景中。

最終，TL431 定義了低成本電源的電壓調(diào)節(jié)方式，更成為歷史上被克隆、重新封裝和二次應(yīng)用最多的模擬器件之一 —— 從陰極射線管（CRT）顯示器、ATX 電源，到工業(yè)控制器和汽車電子控制單元（ECU），它悄然融入各類產(chǎn)品的核心架構(gòu)。

性能強(qiáng)勁的帶隙基準(zhǔn)核心

TL431 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（數(shù)據(jù)手冊(cè)見鏈接）包含：經(jīng)校準(zhǔn)至約 2.495V 的經(jīng)典帶隙基準(zhǔn)、將參考引腳（REF）電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較的內(nèi)部運(yùn)算放大器，以及可從陰極吸收高達(dá) 100mA 電流的晶體管。本質(zhì)上，它是一款帶增益的精密比較器，搭配能在寬溫度范圍和生產(chǎn)離散性下保持穩(wěn)定的基準(zhǔn)源。

當(dāng) REF 引腳與陰極短接時(shí)，TL431 可作為低噪聲、響應(yīng)迅速的 2.5V 齊納二極管替代品；外接兩個(gè)電阻，就能構(gòu)成最高約 36V 的可編程基準(zhǔn)；將其輸出端連接到光耦合器 LED，即可成為隔離式反激變換器的完整反饋控制器。其核心優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需配置寄存器或精密偏置網(wǎng)絡(luò)：內(nèi)部極點(diǎn)確保了可預(yù)測(cè)的帶寬，輸出級(jí)能以出色的一致性實(shí)現(xiàn)從微安級(jí)到數(shù)十毫安級(jí)的電流擺動(dòng)。

L431 簡(jiǎn)化原理圖

與 20 世紀(jì) 70 年代末的許多模擬集成電路一樣，TL431 的設(shè)計(jì)預(yù)留了充足的裕量：最小工作電流約為 1mA，而在此電流之上，器件表現(xiàn)出驚人的線性特性。德州儀器及其他制造商隨后推出了精度更高的版本（±1% 和 ±0.5%），確保該器件無(wú)需依賴昂貴的精密基準(zhǔn)源，就能為消費(fèi)級(jí)開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)提供穩(wěn)定的電壓環(huán)路錨點(diǎn)。

此外，REF 引腳的輸入電流僅為微安級(jí)，因此設(shè)定輸出電壓的分壓網(wǎng)絡(luò)幾乎不會(huì)影響精度。在那個(gè)低成本電源需要無(wú)額外元件即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性的時(shí)代，這一特性足以讓 TL431 成為默認(rèn)選擇。

開關(guān)電源的主力干將

到 20 世紀(jì) 80 年代中期，離線式反激變換器已無(wú)處不在 —— 電視、錄像機(jī)、電腦電源以及新興的墻插式適配器中，都能看到它的身影。這些產(chǎn)品的次級(jí)側(cè)通常共享一個(gè)相似的模塊：TL431 驅(qū)動(dòng)光耦合器，并搭配小型 RC 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成反饋環(huán)路。

TL431 在此場(chǎng)景中表現(xiàn)卓越，因其整合了多項(xiàng)必需功能：穩(wěn)定的基準(zhǔn)源、足夠增益以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格負(fù)載調(diào)節(jié)的內(nèi)部放大器，以及無(wú)需外部緩沖即可直接調(diào)制光耦合器 LED 的輸出晶體管。設(shè)計(jì)師只需添加補(bǔ)償電容、一兩個(gè)電阻和采樣分壓網(wǎng)絡(luò)，這種簡(jiǎn)潔性使其迅速占據(jù)數(shù)百萬(wàn)個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景。

晶體管級(jí)原理圖

不過，TL431 的內(nèi)部補(bǔ)償設(shè)計(jì)也帶來了一個(gè)著名的問題：在容性負(fù)載不當(dāng)時(shí)容易產(chǎn)生振蕩。陰極上的小型陶瓷電容可能會(huì)移動(dòng)主極點(diǎn)，導(dǎo)致相位裕量完全喪失，尤其在器件接近最小工作電流的輕載工況下。應(yīng)用筆記隨即給出解決方案：在 TL431 與光耦合器或輸出電容之間串聯(lián)一個(gè)小電阻，通過增加零點(diǎn)來穩(wěn)定環(huán)路。

即便存在這些注意事項(xiàng)，該器件依然具有良好的容錯(cuò)性：只要陰極電流保持在最小值以上，且 REF 分壓網(wǎng)絡(luò)偏置合理，即使在元件容差大、布局簡(jiǎn)陋或受成本限制的廉價(jià)電源中，整體環(huán)路仍能表現(xiàn)出可預(yù)測(cè)的穩(wěn)定性。

超越反饋環(huán)路的多元應(yīng)用

一旦工程師們意識(shí)到 TL431 可作為 “帶增益的齊納管”，其應(yīng)用范圍便不再局限于電源調(diào)節(jié)：

?過壓保護(hù)：當(dāng)電壓超過閾值時(shí)，驅(qū)動(dòng)可控硅（SCR）或 MOSFET；

?精密電流源：與采樣電阻搭配，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)電流吸收；

?窗口比較器：在電池充電器和儀器儀表中發(fā)揮雙重作用；

?線性穩(wěn)壓器：替代基準(zhǔn)源和誤差放大器，控制外部調(diào)整管構(gòu)成簡(jiǎn)易三端穩(wěn)壓器。

低壓版本（如 TLV431 和 LMV431）將基準(zhǔn)電壓擴(kuò)展至 1.24V 領(lǐng)域，并將最小工作電流降至數(shù)十微安；汽車級(jí) TL431-Q1 版本則使其能適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境。數(shù)十家廠商生產(chǎn)引腳兼容的克隆產(chǎn)品，部分性能與原版幾乎一致，另一些則在增益或補(bǔ)償特性上存在明顯差異 —— 這也導(dǎo)致電源設(shè)計(jì)師有時(shí)會(huì)堅(jiān)持使用單一供應(yīng)商，以避免重新驗(yàn)證控制環(huán)路穩(wěn)定性。

盡管變體繁多，TL431 的核心架構(gòu)始終未變：REF 引腳始終是基準(zhǔn)輸入端，陽(yáng)極始終為接地端，陰極始終為功能端。這種延續(xù)性使其在開關(guān)控制器和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷演進(jìn)的浪潮中，始終保持著不可替代的地位。

原文：

https://www.allaboutcircuits.com/news/tl431-the-precision-shunt-regulator-that-quietly-took-over-power-supplies/

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