開(kāi)關(guān)電源環(huán)路筆記(9)-TL431穩壓是如何做到和溫度基本無(wú)關(guān)的

好久沒(méi)更新開(kāi)關(guān)電源環(huán)路筆記了，最近本想重新?lián)炱饋?lái)，就想看看TL431這個(gè)器件。不過(guò)過(guò)程中對TL431穩壓的原理產(chǎn)生了興趣（問(wèn)題）。

我的問(wèn)題

我想到主要的兩個(gè)問(wèn)題：

1、2.5V是如何產(chǎn)生的？

2、如何做到2.5V在全溫度下都是基本是穩定的？即溫漂很??？

以下是TI的TL431規格書(shū)手冊的溫漂：

可以看到，電壓非常準，偏差是±12mV，如果按照百分比來(lái)，電壓精度就是12mV/2.5V=0.48%。

同樣的，溫漂最大是34mV，同樣，如果按照百分比來(lái)看，溫漂就是34mV/2.5V=1.3%。

在去查東西之前呢，我個(gè)人能想到與電源電壓無(wú)關(guān)的比較準的電壓就是二極管的導通電壓或者三極管的Vbe了，導通后大概是0.6V~0.7V左右，不過(guò)我知道，這個(gè)受溫度影響比較大。比如下圖是MMBT3904的Vbe電壓與溫度的關(guān)系。

可以看到，25℃時(shí)Vbe是0.6V左右，-40℃時(shí)Vbe是0.75V左右，125℃時(shí)Vbe是0.4V。如果算成百分比，最大溫漂（相對25℃）出現在125℃，溫漂為：(0.4-0.6)/0.6=33%，這個(gè)溫漂就非常大了。

另外一方面，我們經(jīng)常在一些芯片中看到電壓基準源，比如DC-DC芯片的FB管腳，這個(gè)顯然是一個(gè)基準源，而且要比較準才行。

那么這些基準源是如何實(shí)現的呢？

TL431的內部框圖

基準源應該屬于IC設計的內容，處于我知識邊界之外的內容，不過(guò)溫漂還是專(zhuān)門(mén)去看了看，感覺(jué)倒是明白了些。

上圖是TI的TL431的內部框圖，主要有兩個(gè)方面的內容可能看不大懂：

1、電流鏡

2、帶隙基準

要明白TL431的工作原理，只要把這兩個(gè)東西搞清楚了，應該就差不多了，先來(lái)看電流鏡。

電流鏡

電流鏡相對來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，大學(xué)里第一本教材——模電就有，帶著(zhù)兄弟們復習下：

簡(jiǎn)單說(shuō)，就是這兩個(gè)三極管的特性參數一樣，然后兩個(gè)管子的Vbe又一樣，那么Ic就一樣，當Ib相對Ic很小，可以忽略的話(huà)，那么IC1=IR，即IC1是IR的復制。

以上是由NPN管構成的電流鏡，TL431是PNP構成的電流鏡，道理差不多。

Q1將c和b接到了一起，這樣Vce1和Vbe1相等，所以這個(gè)Q1肯定是工作在了放大狀態(tài)，這個(gè)是前提。

然后Q1，Q2的b極接到了一起，那么有I1*R+Vbe1=I2*R+Vbe2。變換下：(I1-I2)*R=Vbe2-Vbe1。

又因為Vbe越大，I越大。

如果I1>I2，那么有Vbe1>Vbe2，上面的等式左邊大于0，右邊小于0，不可能成立，所以，假如不成立，即I1不能大于于I2。

同理，如果I1<I2，那么有Vbe1<Vbe2，上面等式左邊小于0，右邊大于0，等式依然不可能成立，所有I1不能小于I2。

所以最終的結果一定是I1=I2，即實(shí)現了電流鏡像。

帶隙基準

帶隙基準，英文Bandgap voltage reference，常常有人簡(jiǎn)單地稱(chēng)它為Bandgap。最經(jīng)典的帶隙基準是利用一個(gè)與溫度成正比的電壓與一個(gè)與溫度成反比的電壓之和，二者溫度系數相互抵消，實(shí)現與溫度無(wú)關(guān)的電壓基準。

問(wèn)題的關(guān)鍵是獲得正溫度系數電壓，負溫度系數電壓，然后想辦法讓二者相消，這樣就跟溫度無(wú)關(guān)了。下面具體看TL431是如何做到這一點(diǎn)的。

TL431如何獲得穩定的REF

為了簡(jiǎn)化，假設TL431中的晶體的β都非常高，即基極電流Ib都可以忽略。

根據前面的分析，Q1和Q2是電流鏡，因此它們流過(guò)的電流相等，用符號I表示。因為圖中所有基極電流都忽略，那么Q2和Q4電流相等，Q1和Q3電流相等，即Q4和Q3的電流也是I。

這里要插一條，那就是上面圖中的三極管，它們并不都是一樣的，像Q5和Q6，它們的****極尺寸就是故意做得比別的三極管要大，如果別的尺寸是S，那么Q5的尺寸就是3S，Q6的尺寸是6S。這個(gè)尺寸比例是有妙用的。關(guān)于這個(gè)尺寸，我是在《開(kāi)關(guān)電源控制環(huán)路設計---克里斯多夫*巴索》這本書(shū)里面看到的，里面有講這部分內容。

根據****極的面積參數，Q5的面積為3S，Q6的面積為6S，那么Q5等效為3個(gè)三極管并聯(lián)，Q6等效為6個(gè)三極管并聯(lián)。

根據等效，就有了Q6的飽和電流為Q5的2倍，即Is6=2*Is5。

除此之外，Q4的Vbe和Q5的Vbe相等（Ib=0，所以Q4的b極串聯(lián)電阻不產(chǎn)生壓降）。既然Q5等效為3個(gè)三極管并聯(lián)，而Q5的Vbe和Q4的Vbe又相等，那么Q5的電流就是Q4的3倍，又因為Q4電流為I，那么Q5電流為3I。

因為Q4和Q3的電流相等，所以Vbe4=Vbe3。又因為Vbe4=Vbe5，而Vbe5=Vce5，所以Vce5=Vbe3。因為Q5和Q3的e極都接地，Q5的c極接到了2.4K電阻下端，Q3的b極接到了7.2K電阻的下端，而這兩個(gè)電阻的另外一端是接到一起的，也就是說(shuō)2.4K電阻和7.2K電阻兩端的電壓相等。而電阻阻值比7.2K/2.4K=3，所以流過(guò)2.4K電阻的電流是7.2K電阻電流的3倍。2.4K電阻的電流與Q5電流相等，為3I，那么流過(guò)7.2K電阻的電流為I，7.2K電阻電流又等于Q6的電流，所以Q6的電流為I。

至此，我們已經(jīng)把圖中兩個(gè)關(guān)鍵管子的電流都求出來(lái)了：

IQ6=I

IQ5=3I

也有了公式：

Is6=2*Is5

現在還缺一個(gè)，那就是三極管Vbe與Ic的關(guān)系，根據半導體公式（可以去查查半導體物理教材）：Vbe=Vt*ln(Ic/Is)。

其中Is就是晶體管的飽和電流；Vt=kT/q,在室溫25℃下，Vt≈26mV；k為玻爾茲曼常數，q為電子電荷。

我們根據上面這些式子，就可以求出電流I=Vt*ln6/R，詳細計算過(guò)程如下：

電流I的表達式已經(jīng)出來(lái)了，那么Vref又是多少呢？

顯然，Vref的電壓等于Q7的Vbe，加上R1和R3的壓降，再加上Q5的Vbe，它們之間的和就是Vref。

Vref的表達式已經(jīng)求出來(lái)了，那么它是跟溫度無(wú)關(guān)的嗎？

如上圖，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，TL431就是利用負溫度系數的Vbe，與正溫度系數的Vt，使用電阻配好相關(guān)系數，實(shí)現正負相消，做到與溫度基本無(wú)關(guān)的。當然了，負溫度系數只是說(shuō)跟溫度負相關(guān)，并非就是線(xiàn)性的，正溫度系數也一樣，所以只能說(shuō)是基本無(wú)關(guān)，并不會(huì )做到絕對無(wú)關(guān)。

接下來(lái)計算下Vref具體是多少。既然跟溫度基本無(wú)關(guān)，那么就看看25℃下Vref是多少吧。

25℃時(shí)，Vt≈26mV，從電路圖中知道，R3=3.28K，R1=2.4K，因為不知道三極管具體的工藝，所以不知道Vbe7和Vbe5具體是多少。不過(guò)結合經(jīng)驗，既然工作在放大區，取值Vbe=0.65V不過(guò)份吧。

計算得：

Vref=0.65V+0.65V+(4*3280+3*2400)*ln6/800*26mV=2.483V，離標稱(chēng)的2.5V相去不遠，差值應該還是Vbe取得比較草率。

我們也可以看看I等于多少。

I=Vt*ln6/R=58.23uA

這個(gè)I我們能想到什么呢？

我們到目前為止，都沒(méi)有涉及到TL431的兩端電壓，也就是說(shuō)這個(gè)電流是和Cathode，Anode兩端電壓無(wú)關(guān)。

另一方面，只要TL431在正常工作，那么就需要這個(gè)靜態(tài)電流I，從上圖可以看出來(lái)，總共要3條支路，加起來(lái)電流為：

4I+I+I=6I=6*58.23uA=349.38uA。

這個(gè)應該是它工作的IKa的最小值，我們可以找規格書(shū)手冊驗證下。

手冊標注如下：

可以看到，手冊中標準的Imin為0.4mA，跟前面算得的349.38uA非常的接近，考慮到我們的計算沒(méi)有考慮右邊的兩個(gè)三極管的電流，分析應該大體是不差的。

想比到這里，對于TL431為什么有個(gè)靜態(tài)工作電流應該有更深入的了解了吧。

仿真驗證

本來(lái)到這里，文章差不多結束了，不過(guò)我還是用LTspice仿真了下，畢竟接好電路運行下倒也不費什么時(shí)間，還可以看看電路的細節。

另外我在仿真過(guò)程中，剛開(kāi)始是直接按照TL431手冊里面的圖紙畫(huà)的電路，沒(méi)有給REF管腳用兩個(gè)電阻分壓，結果就工作不起來(lái)，這讓我對Iref必須輸入個(gè)電流加深了印象。

從手冊中知道，Iref的電流大概是2uA左右，這個(gè)電流也是TL431工作的條件，不然無(wú)法工作，另外，精準的穩壓公式Vka如上圖所示。因此R1/R2不能選得太大，選得太大可能會(huì )提供不了足夠的Iref。.

另一方面，我們計算的時(shí)候經(jīng)常舍去Iref*R1這一項，如果R1過(guò)大，會(huì )造成這一項比較大，最終的結果就是實(shí)際穩壓的結果跟計算的結果不一致。

電路中帶隙基準的三極管是分別用3個(gè)三極管和6個(gè)三極管并聯(lián)來(lái)實(shí)現的，用的是庫里面自帶的2N3904

運行結果如下：

Vref=2.3745V，相比目標2.5V，差了123mV，我想這應該是實(shí)際TL431里面的Vbe與2N3904的Vbe的差別導致的。

溫度也掃描了下：

可以看到，從-40℃到125℃，電壓變化量為2.388-2.361=27mV，是比較小的。

小結

作為硬件工程師，本節內容其實(shí)不知道也沒(méi)什么太大的關(guān)系，我只是自己看了相關(guān)內容就寫(xiě)下來(lái)了，希望不要嚇到剛入門(mén)硬件的兄弟。

下面對內容做個(gè)小結。

1、工作原理

TL431通過(guò)帶隙基準和電流鏡，實(shí)現與溫度基本無(wú)關(guān)的基準電壓Vref，在REF=2.5V時(shí)整個(gè)電路達到平衡。

REF同時(shí)也是輸入端，當施加在REF上面的電壓發(fā)生改變，比如Vref增加，那么就會(huì )打破平衡，導致平衡點(diǎn)的電壓升高，放大器對地下拉更多的電流，讓Cathode電壓降低，直到Vref重新等于2.5V，再次達到平衡。

2、靜態(tài)電流Ika，Iref電流

TL431工作時(shí)，k，a兩級之間需要靜態(tài)電流，1mA左右。同時(shí)Ref端也需要一個(gè)輸入Iref電流，大概在2uA左右，這些在對應手冊中都會(huì )標注。為了保證正常工作，相關(guān)的限流電阻，分壓電阻的取值需要注意。

3、相關(guān)資料下載

文章中的仿真源文件，還有一些參考資料，放置在了網(wǎng)盤(pán)，在我的微信公眾號“硬件工程師煉成之路”后臺回復“煉成之路”，就可以下載了，放置在了：電源——TL431文件夾里面了。

4、帶隙基準

關(guān)于帶隙基準，其實(shí)有非常多的電路，也屬實(shí)是一門(mén)學(xué)問(wèn)，我也是剛了解點(diǎn)皮毛，想要學(xué)習這個(gè)的兄弟們，我就把我看過(guò)的東西貼出來(lái)吧：

a、簡(jiǎn)單了解是啥可以看下這個(gè)：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/444500447

b、想稍微系統的看下，可以看這個(gè)系列視頻（有點(diǎn)長(cháng)）

https://www.bilibili.com/video/BV1SY4y1a7oD/?spm_id_from=333.999.section.playall&vd_source=a559f135e6f1797789dd00a1ed110061

c、參考資料《TL431中基準補償電路》—也一起放到了網(wǎng)盤(pán)，下載方式同上。

5、一本好書(shū)

給兄弟們推薦一本好書(shū)---《開(kāi)關(guān)電源控制環(huán)路設計（克里斯多夫-巴索）》

其實(shí)最開(kāi)始我寫(xiě)這個(gè)，主要源于看到這本書(shū)，里面專(zhuān)門(mén)花了一大章講了TL431的，還是挺不錯的。但是關(guān)于帶隙基準的部分沒(méi)講，導致我就一直模模糊糊不是太明白，于是我不高興了，就去查了查，這才有了這一節內容。

關(guān)于開(kāi)關(guān)電源控制環(huán)路設計，這本書(shū)還是很值得推薦的。

以上純屬個(gè)人想法，不一定對，有問(wèn)題可以留言交流。