TL431偏置電流的正確設(shè)置

轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)化直流模型如圖2所示，Vout與Vref通過(guò)受傳輸率#61537;影響的電阻分壓器進(jìn)行比較，可得到輸出電壓的理論值為Vref/α。然而，整個(gè)增益鏈路和各種阻抗均會(huì)影響輸出電壓，如下式所示，其中每個(gè)希臘字母均表示一個(gè)增益，RSOL表示開(kāi)環(huán)輸出阻抗。
　　Vout=(Vref-α×Vout) ×β×G- RSOL×Vout / RL (1)
　　Vout= Vref×β×G/(1+α×β×G+ RSOL / RL) (2)
　　靜態(tài)誤差=Vref/α- Vout= Vref×(RSOL+ RL)/ [α×(RSOL+α×β×G×RL+RL)] (3)
　　從式(3)中可看出，增大增益的值有助減小靜態(tài)誤差，提高輸出電壓精度。受增益環(huán)路影響的另一個(gè)重要參數(shù)是輸出阻抗，系統(tǒng)的輸出阻抗可用不同的計(jì)算方法得出。任何發(fā)生器均可簡(jiǎn)化為它的Thevenin等效，即一個(gè)電壓電源Vth
(空載時(shí)測(cè)得的Vout，即令式2中的RSOL / RL
=0)與一個(gè)輸出阻抗Rth的串聯(lián)電路。設(shè)當(dāng)負(fù)載電阻RL為閉環(huán)輸出阻抗Rth時(shí)，輸出電壓Vout可減小至Vth/2，以此來(lái)計(jì)算輸出阻抗Rth，也可將其表示為RSCL。令Vth/2
= Vout求RSCL，由式(2)可得：
　　Vref×β×G/(1+α×β×G)/2=Vref×β×G/(1+α×β×G+ RSOL/Rth) (4)
　　RSCL = RSOL/(1+α×β×G) (5)
　　由式(5)可得出如下結(jié)論：
　　如果直流誤差放大器的增益較大，且DC 較高，則RsCL接近于零；
　　由于對(duì)反饋返回路徑#61538;進(jìn)行了補(bǔ)償，所以，當(dāng)增益隨頻率增大而減小時(shí)，RSCL開(kāi)始增大。阻抗模塊隨頻率增大而增大，說(shuō)明該阻抗類似于電感；
　　當(dāng)增益降至零時(shí)，系統(tǒng)輸出阻抗與無(wú)反饋時(shí)的阻抗相同，均為RSOL。此時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)環(huán)工作。
　　因此，為了減小靜態(tài)誤差，并降低轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)輸出阻抗，大多數(shù)SMPS
設(shè)計(jì)人員會(huì)在設(shè)計(jì)中保持較大的直流增益值。這里的直流增益由TL431提供，可以采用如圖3所示的純積分器配置進(jìn)行連接。

　　
　　圖3 使用傳統(tǒng)的分流穩(wěn)壓器配置連接TL431
　　假設(shè)圖3中的Rbias不存在。首先計(jì)算分壓器網(wǎng)絡(luò)Rupp和Rlow，橋接電流Ib應(yīng)大于TL431參考引腳的偏置電流6.5#61549;A(最大值)，以減小因偏置而引起的Rupp誤差。對(duì)于12V輸出電壓，假設(shè)
Ib=1mA。由于TL431通過(guò)Rlow施加的電壓為2.5V，而Rupp施加的電流為1mA，因此可以計(jì)算出Rlow為 2.5 / 1m =
2.5k#61527;，而Rupp則等于(12-2.5)/
1m=9.5k#61527;。可進(jìn)一步選擇更小的偏置電流，以減小空載條件下的待機(jī)能耗。橋接電流值確定后，即可計(jì)算RS。RS必須能提供足夠的電流，使光耦合器集電極(或反饋引腳)小于1.2V，以啟動(dòng)空載工作狀態(tài)下的跳周期。在NCP1200中，引腳2和內(nèi)部5V參考電壓間有一個(gè)8k#61527;的上拉電阻。如果反饋電流為475#61549;A，可將引腳2拉至1.2V
(VPIN2=5-475#61549;×8k)。考慮到光耦合器在較差情況下有50%的電流轉(zhuǎn)換比例(CTR)，則RS必須小于(Vout-2.5-1V) /
950#61549;8.94k#61527;，假設(shè)為8.2k#61527;。
　　在CTR為150%的較差情況下，表示LED中需要的電流較小，如果將8.2k#61527;電阻與TL431串聯(lián)，則會(huì)發(fā)生以下情況：
　　1. 輕負(fù)載情況：IFB = 475#61549;A，則IL = 475#61549;/ 1.5 = 316#61549;A
　　2. 中負(fù)載情況：VFB = 2.3V，IFB = 337.5#61549;A，則 IL = 337.5#61549;/ 1.5=225#61549;A
　　3. 重負(fù)載情況：VFB = 3V，IFB = 250#61549;A，則IL = 250#61549;/1.5 = 166#61549;A
　　在這種情況下，TL431的偏置電流不僅隨著負(fù)載電流而變化，而且也隨著光耦合器CTR的變化而變化。此外，減小RS也不起任何作用，應(yīng)該通過(guò)調(diào)節(jié)LED的內(nèi)部電流，來(lái)調(diào)整控制器端的正確反饋電壓。這種情況的設(shè)計(jì)問(wèn)題源自TL431的數(shù)據(jù)表：必須插入大于1mA的偏置電流，才能從不同規(guī)格的TL431增益中獲益。如果不能正確偏置TL431，就會(huì)降低開(kāi)環(huán)增益，導(dǎo)致#61541;增大，RSCL也隨之增大。
　　這一問(wèn)題可通過(guò)增加偏置電阻Rbias，在外部施加一個(gè)偏置電流而解決。由于最缺少電流，所以必須計(jì)算此電阻在較差情況下，也就是重負(fù)載情況和最高CTR時(shí)的值。這時(shí)IL
= 166uA。因此，RS上的電壓為166#61549;×8.2k = 1.36V。假設(shè)LED的正激壓降為1V，則陰極電壓為12 -1.36-1 =
9.64V。已知Vout恒定為12V，通過(guò)Rbias施加1mA電流得到，Rbias = (12-9.64) / 1m = 2.36k#61527;，或用
2.2k#61527;得到歸一化值。因此，在 TL431上施加的最小電流為 1mA + 166uA = 1.16mA。在空載情況下，IL=316 uA
，陰極電壓為12-(8.2k×316)-1 = 8.4V，因此，流經(jīng)TL431的總偏置電流為(12-8.4)/2.2k=
1.63mA，加上實(shí)際的反饋電流值316uA，總偏置電流為1.95mA，應(yīng)處于安全電流范圍內(nèi)。
　　在NCP1200構(gòu)成的電源上進(jìn)行了有偏置電阻和無(wú)偏置電阻的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。沒(méi)有偏置元件時(shí)，輸出阻抗測(cè)量值為57m#61527;；連接偏置電阻(阻值為3.3k#61527;)后，輸出阻抗值降至4m#61527;。

　　
　　圖4 TL431偏置電流過(guò)低時(shí)性能將明顯下降
　　總之，通過(guò)外部電阻對(duì)TL431進(jìn)行正確偏置是非常重要的。如果無(wú)法承受額外的1mA輸出電流的預(yù)算(由于要盡量降低空載待機(jī)能耗)，就應(yīng)使用TLV431
(Vref = 1.24V) 或NCP100 (Vref =
0.7V)，因?yàn)樗鼈冎恍枰?00#61549;A的最小偏置電流，且擊穿電壓更小。此外，8.2k#61527;的串聯(lián)電阻RS極為罕見(jiàn)，因?yàn)樵撾娮杞Y(jié)合光耦合器的集電極上拉電阻可以產(chǎn)生直流增益。如果電阻值約為1k或稍大于1k，則更接近標(biāo)準(zhǔn)值。0