基于TL431的低压差直流稳压电源设计
1 引言
稳压电源模块在电路中使用广泛，目前流行的如lm78、asm117系列等，多数只有3个引脚，结构简单，使用方便。通常输入与输出之间的压差大于2 v才能正常工作，但对较低电压电池供电的场合。一般增加2 v的供电电源需增加20％～40％(对应输出3 v或5 v)的成本和体积。用开关电源原理制作的低压差模块(如max605)，可在输入电压与输出电压近乎相等的情况下输出稳定的电压，但对测力等电路需电源纹波较小的情况。针对上述问题。利用分立器件设计一种低压差稳压电源电路。电路器件选用常规器件，成本低。结构简单。实际电路经实验测试，具有很好的负载特性和电压稳定性。
2 电路工作原理
图1为低压层直流稳压电源电路原理图。该电路是由基准电压、电压放大和电流放大等3个环节组成。其中，基准电压由tl431产生，按图1中电路连接，当通过r0的电流在0．5~10 ma时可获得稳定的2．5 v基准输出。
输出电压的具体数值由运算放大器ua确定，采用同相放大器的优越性在于其输入阻抗极大，可很好地将tl431输出的2．5 v电压与后级电路隔离，使其不受负载变化的影响；运放与电阻r3和r2组成比例放大环节，可对基准电压按要求进行比例放大输出，但输出电压最大不能超过运放的电源电压。
电流放大采用两个三极管，ua通过驱动调整管vq2控制调整管vq1，组成反馈实现电流放大环节，对输出电压进行调节，从而实现稳压输出。二极管vd在运放ua低压输出时使调整管vq2基极一发射极电压为负，使vq2立即进入截止状态，电流ic2迅速降低，vq2的vce升高导致vq1的基极电压升高，使 vq1的基极电流ib减少，进而减少输出电流icq1(βib)；反之同理。rl是输出负载，c0和c1是滤波电容。
3 电路主要参数设计
3．1 控制环节设计
控制环节回路等效图如图2和图3所示，其中图2为比例电压增益原理图，图3为电流放大原理图。
按照图2和图3，可得出控制环节回路方程：
式中，irg为运放ua的输出端1的输出控制电流。
由式(2)可知，irg通过控制vq2啦的电流ic2控制vq1的基极电流，ib1，r8控制调节管vq2，进而控制vq1的输出电流ic1，vq2是与 vq1形成串联负反馈，无需进一步放大vq1的输出电流ic1，用r8对ic1分流。电路输出电压vcc为5 v，驱动额定负载是350 ω，供电电源是标准7 v输出的电池。运算放大器选lm358，取r1、r2为10 kω，tl431电流范围是100～150 ma，选用r1=3 kω，符合要求。vcc=(1+r2/r1)x2．5=5 v。合理选取r8和r9的电阻值，使vq1和vq2均工作在线性区。
3．2 调整管的选取与静态工作点的设置
调整管vq1和vq2主要参数：(1)反向电压vceo不小于vin的2 倍的裕量；(2)最大允许电流icm，不小于输出电流i0的2倍的裕量；(3)耗散功率pcm应在功率损耗的安全区内；通常为了安全可靠，参数应按照实际值的几倍选取。设置适当的静态工作点(即确定基极静态电流ih，发射极电流ie，集电极一发射极静态电压uce)，可以在保证输出稳定精度的同时使调整管的损耗最小。合适的静态工作点首先要求调整管工作在放大状态，其次要满足电网和负载波动情况下，ib、ie、ucc尽量小，以减少损耗。设置静态工作点要选择合适的驱动管vq1和偏置电阻r8、r9。vq1的静态工作点为：
式中，irg为运放的控制输出信号，vin为电源电压，vcc为5 v输出电压，rl为额定负载200ω，vd是二极管导通电压0．7v。
由式(3)和(4)可以确定vq2的参数，然后，计算电阻r9：
使用放大倍数β1、β2在30-80之间的调整管，放大倍数较大的调整管消耗功率较小，但稳定性降低，这里选取β为50，设计供电电源在5．2～9 v之间波动，为了防止电源电压高时烧毁调整管vq2，加约1 kω的电阻r8以限流保护。
3．3 过流保护电路的设计
图3中，电阻ri与三极管vq3组成过流保护环节。输出电流过大时，取样电阻ri上的电压大于0．7 v，vq3导通，迫使调整管基极电压vbe降低，直到关闭电源输出。r4=0．7／kic。其中，lc为输出电流，k为最大过流系数，通常取值约1．5。 r7=(vcc-uce3)／ie3≈vrg/ic3，限制ic3不宜过大，以免vq3过流损坏。
4 试验
图4为设计的一个直流稳压电源模块，输入电源为直流5～9 v的蓄电池组；分别对设计电路进行电源特性和负载特性试验，其中负载特性试验以输入的6．5 v蓄电池模拟实际使用工作环境。图5为其试验记录结果。输出纹波试验数据，当电源输入电压为5-11 v，输出纹波为5～8 mv。
5 结束语
通过分析与试验可看出，该直流电源稳压模块具有稳压精度高、负载特性好等特点，且电路简单，另外可利用接口p0监测实际电源，此电路已投入生产，通过实践检验该电路设计性能可靠，耗电少，可很好满足单电源供电应用情况。
双向晶闸管(TRIAC)
名侦探白洞（二）：办公室“神秘人”事件
蓝牙传输发现服务助力实现协作型物联网
基于GPRS和GPS技术相结合实现车载系统终端的设计
一文读懂2018年大数据的增长趋势 十张图告诉你
基于TL431的低压差直流稳压电源设计
5G芯片采用7nm，紫光展锐能做到吗？
半导体光电及激光智能制造技术会议在苏州圆满落幕
GD32开发实战指南(基础篇) 第3章 GPIO流水灯的前世今生
企业组织成功进行数字化创新的关键要点和措施
小米6最新消息：骁龙835+5.7寸2K屏+三防！国产机皇即将来临
河南电网100MW电池储能示范工程的第二次招标项目对外公示
什么是电气互锁?工作原理
IC Insights：半导体资本年支出将首次超过千亿美元，存储占比53%
某水下机器人供电系统干扰改善方案浅析
浅析液压伺服系统工作原理及电气故障诊断
液晶显示器色彩数
Linux汇编启动relocate重定向分析
LCD驱动芯片VK1056B/C概述及特点
异步电机的改进型电压模型磁链观测器介绍
稳压电源模块在电路中使用广泛，目前流行的如lm78、asm117系列等，多数只有3个引脚，结构简单，使用方便。通常输入与输出之间的压差大于2 v才能正常工作，但对较低电压电池供电的场合。一般增加2 v的供电电源需增加20％～40％(对应输出3 v或5 v)的成本和体积。用开关电源原理制作的低压差模块(如max605)，可在输入电压与输出电压近乎相等的情况下输出稳定的电压，但对测力等电路需电源纹波较小的情况。针对上述问题。利用分立器件设计一种低压差稳压电源电路。电路器件选用常规器件，成本低。结构简单。实际电路经实验测试，具有很好的负载特性和电压稳定性。
2 电路工作原理
图1为低压层直流稳压电源电路原理图。该电路是由基准电压、电压放大和电流放大等3个环节组成。其中，基准电压由tl431产生，按图1中电路连接，当通过r0的电流在0．5~10 ma时可获得稳定的2．5 v基准输出。
输出电压的具体数值由运算放大器ua确定，采用同相放大器的优越性在于其输入阻抗极大，可很好地将tl431输出的2．5 v电压与后级电路隔离，使其不受负载变化的影响；运放与电阻r3和r2组成比例放大环节，可对基准电压按要求进行比例放大输出，但输出电压最大不能超过运放的电源电压。
电流放大采用两个三极管，ua通过驱动调整管vq2控制调整管vq1，组成反馈实现电流放大环节，对输出电压进行调节，从而实现稳压输出。二极管vd在运放ua低压输出时使调整管vq2基极一发射极电压为负，使vq2立即进入截止状态，电流ic2迅速降低，vq2的vce升高导致vq1的基极电压升高，使 vq1的基极电流ib减少，进而减少输出电流icq1(βib)；反之同理。rl是输出负载，c0和c1是滤波电容。
3 电路主要参数设计
3．1 控制环节设计
控制环节回路等效图如图2和图3所示，其中图2为比例电压增益原理图，图3为电流放大原理图。
按照图2和图3，可得出控制环节回路方程：
式中，irg为运放ua的输出端1的输出控制电流。
由式(2)可知，irg通过控制vq2啦的电流ic2控制vq1的基极电流，ib1，r8控制调节管vq2，进而控制vq1的输出电流ic1，vq2是与 vq1形成串联负反馈，无需进一步放大vq1的输出电流ic1，用r8对ic1分流。电路输出电压vcc为5 v，驱动额定负载是350 ω，供电电源是标准7 v输出的电池。运算放大器选lm358，取r1、r2为10 kω，tl431电流范围是100～150 ma，选用r1=3 kω，符合要求。vcc=(1+r2/r1)x2．5=5 v。合理选取r8和r9的电阻值，使vq1和vq2均工作在线性区。
3．2 调整管的选取与静态工作点的设置
调整管vq1和vq2主要参数：(1)反向电压vceo不小于vin的2 倍的裕量；(2)最大允许电流icm，不小于输出电流i0的2倍的裕量；(3)耗散功率pcm应在功率损耗的安全区内；通常为了安全可靠，参数应按照实际值的几倍选取。设置适当的静态工作点(即确定基极静态电流ih，发射极电流ie，集电极一发射极静态电压uce)，可以在保证输出稳定精度的同时使调整管的损耗最小。合适的静态工作点首先要求调整管工作在放大状态，其次要满足电网和负载波动情况下，ib、ie、ucc尽量小，以减少损耗。设置静态工作点要选择合适的驱动管vq1和偏置电阻r8、r9。vq1的静态工作点为：
式中，irg为运放的控制输出信号，vin为电源电压，vcc为5 v输出电压，rl为额定负载200ω，vd是二极管导通电压0．7v。
由式(3)和(4)可以确定vq2的参数，然后，计算电阻r9：
使用放大倍数β1、β2在30-80之间的调整管，放大倍数较大的调整管消耗功率较小，但稳定性降低，这里选取β为50，设计供电电源在5．2～9 v之间波动，为了防止电源电压高时烧毁调整管vq2，加约1 kω的电阻r8以限流保护。
3．3 过流保护电路的设计
图3中，电阻ri与三极管vq3组成过流保护环节。输出电流过大时，取样电阻ri上的电压大于0．7 v，vq3导通，迫使调整管基极电压vbe降低，直到关闭电源输出。r4=0．7／kic。其中，lc为输出电流，k为最大过流系数，通常取值约1．5。 r7=(vcc-uce3)／ie3≈vrg/ic3，限制ic3不宜过大，以免vq3过流损坏。
4 试验
图4为设计的一个直流稳压电源模块，输入电源为直流5～9 v的蓄电池组；分别对设计电路进行电源特性和负载特性试验，其中负载特性试验以输入的6．5 v蓄电池模拟实际使用工作环境。图5为其试验记录结果。输出纹波试验数据，当电源输入电压为5-11 v，输出纹波为5～8 mv。
5 结束语
通过分析与试验可看出，该直流电源稳压模块具有稳压精度高、负载特性好等特点，且电路简单，另外可利用接口p0监测实际电源，此电路已投入生产，通过实践检验该电路设计性能可靠，耗电少，可很好满足单电源供电应用情况。
双向晶闸管(TRIAC)
名侦探白洞（二）：办公室“神秘人”事件
蓝牙传输发现服务助力实现协作型物联网
基于GPRS和GPS技术相结合实现车载系统终端的设计
一文读懂2018年大数据的增长趋势 十张图告诉你
基于TL431的低压差直流稳压电源设计
5G芯片采用7nm，紫光展锐能做到吗？
半导体光电及激光智能制造技术会议在苏州圆满落幕
GD32开发实战指南(基础篇) 第3章 GPIO流水灯的前世今生
企业组织成功进行数字化创新的关键要点和措施
小米6最新消息：骁龙835+5.7寸2K屏+三防！国产机皇即将来临
河南电网100MW电池储能示范工程的第二次招标项目对外公示
什么是电气互锁?工作原理
IC Insights：半导体资本年支出将首次超过千亿美元，存储占比53%
某水下机器人供电系统干扰改善方案浅析
浅析液压伺服系统工作原理及电气故障诊断
液晶显示器色彩数
Linux汇编启动relocate重定向分析
LCD驱动芯片VK1056B/C概述及特点
异步电机的改进型电压模型磁链观测器介绍