TL431应用电路与LTspice仿真

文章目录

TL431应用电路
- 简介
- 应用电路1：稳压源
- 应用电路2：电压比较器
- 应用电路3：隔离型反馈电路
LTspice仿真
- 模型导入和使用
- - spice模型
  - 原理图符号
  - 放置模型
- 暂态仿真
- DC扫描
总结

TL431应用电路

简介

TL431是一种常用的稳压芯片，只有阴极、阳极、基准（K、A、R）三个引脚，可以实现电压基准、比较器等多种电路。TL431等效电路如下（来自TI规格书）：

核心是一个运放，运放的输出连接到三极管的B极
运放的负输入是内部电压基准Vref=2.5V
正输入为Ref引脚
Cathode和Anode是运放的供电，同时也是输出三极管的C和E极

需要注意的是，因为运放输出侧接了一个三极管反相，如果把整个TL431当成一个运放，那么Cathode是输出，Ref变为了负输入，而2.5V基准接在正输入，如下图：

TL431内部集成了运放和电压基准，基于这两个模块，可以通过外围电路实现多种不同的功能。

应用电路1：稳压源

基于TL431的稳压源如下图，

R1和R2形成负反馈，根据等效电路，相当于同向比例电路，输入电压为Vref，因此输出电压为：Vo=Vref(1+R1/R2)V_o=V_{ref}(1+R_1/R_2)Vo=Vref(1+R1/R2)。
当R2开路时，可等效成电压跟随器，因此采用TL431做稳压源的最低输出电压是 Vo=Vref=2.5VV_o=V_{ref}=2.5\;VVo=Vref=2.5V。如果需要更低的电压，可以使用TLV431，Vref=1.24V。

应用电路2：电压比较器

基于TL431的电压比较器，如下图，此时TL431开环工作。

输入电压Vin>2.5V时，内部三极管开启把Vout拉低，Vout=2V
Vin<2.5V，内部三极管截止，Vout=Vsup

需要注意：输出电压Vout的电平与一般比较器不同，高电平为电源电压Vsup，但是低电平约为2V，因此需要通过分压等方式对输出电压进行处理，以符合后级电路的逻辑电平。

应用电路3：隔离型反馈电路

TL431被广泛用于电源的反馈电路，集电极开路的设计特别适合用来驱动光耦的LED，实现隔离反馈输出，如下图，反激变换器的反馈电路，通过光耦实现了原副边的电气隔离。

简单介绍工作原理（后续博文中介绍参数选择与仿真）：

R1R_1R1和RlowerR_{lower}Rlower分压，设置输出电压为Vout=Vref(1+R1Rlower)V_{out}=V_{ref}(1+\frac{R_1}{R_{lower}})Vout=Vref(1+RlowerR1)
C1C_1C1是环路补偿的一部分。添加C1C_1C1后，下图电路构成一个II型反馈。影响补偿网络的元件包括：R1R_1R1、RLEDR_{LED}RLED、C1C_{1}C1、RpullupR_{pullup}Rpullup、C2C_{2}C2
RbiasR_{bias}Rbias给TL431提供偏置电流。例如，TL431需要至少1mA电流才能正常工作，光耦LED压降1V，可选择Rbias=1kR_{bias}=1\;kRbias=1k，加上LED的电流，可以保证TL431的电流大于1mA。
RLEDR_{LED}RLED用于光耦LED限流。
光耦可以简单理解为一个受控电流源，副边三极管的电流Ic=CTR×ILEDI_c=CTR\times I_{LED}Ic=CTR×ILED，其中CTR是电流传输比（current transfer ratio），与LED电流、CE电压都有关，详见光耦的规格书。
C2C_2C2是光耦副边三极管的CE之间寄生电容。也可以在CE之间额外并联电容，用于调整环路补偿。

负反馈实现原理：

VoV_oVo↑——TL431三极管Vbe↑——ILEDI_{LED}ILED ↑——ICI_CIC ↑——VFBV_{FB}VFB ↓——占空比↓——VoV_oVo↓

LTspice仿真

LTspice是一个免费的spice仿真软件，最近刚开始学习使用，给我的印象是，

参考资料很丰富，元件库中的大部分芯片都有一个对应的应用电路模型。（一般放在Documents\LTspiceXVII\examples\jigs）
仿真速度比较快
操作上，一开始觉得比较麻烦，后来习惯了快捷键，感觉也还行

安装后可以把默认的颜色改一改，Tools-color preferences，默认灰色背景、蓝色原理图，看起来怪怪的。

模型导入和使用

因为自带的元件库中没有TL431，所以需要自己建一个。建一个TL431模型需要：一个原理图符号（symbol），和一个spice模型。

spice模型

spice模型可以从各个地方搜索到，比如TI官网：

TL431 data sheet, product information and support | TI.com

下载的模型是一个文本文件（任意后缀，如.sub, .mod等等)。

注意spice模型中的.SUBCKT 一行，定义了模型名和几个引脚。

*              REFERENCE
*              |  ANODE
*              |  |  CATHODE
*              |  |  |
.SUBCKT  TL431 1  2  3

如果不想自己画原理图符号，就直接在LTspice中，file-open，打开刚才下载的spice模型，选中.subckt一行，点击 create symbol，自动生成一个模型，主要问题是生成的符号不太直观。

原理图符号

可以基于自动生成的符号略加修改。注意几个端口有显示的名称（label）和网表编号(Netlist Order)，其中网表编号要和spice模型对应（比如，上文的spice模型中，1脚是reference，原理图符号的1脚也应是reference），否则仿真会报错。

放置模型

把下载的spice模型和绘制的原理图符号放在某个文件夹下，如\Documents\LTspiceXVII\lib\mysub。在tools-control panel-sym&lib search path中，添加这个路径。

点击 component（或快捷键F2），在弹出窗口中，Top Directory选择刚才设置的路径mysub，可以看到出现了刚才绘制的符号，双击TL431放置元件到仿真模型中。

Edit-SPICE Derivitives，输入.include TL431.sub，添加对应的Spice模型。最后，放置一些电阻电容，连线，搭建一个稳压源，如下图。
- 注意模型U2的名称为TL431，应与spice模型中.SUBCKT TL431 1 2 3一致
- 所有电压源都是同一个符号，通过快捷键V放置，在符号上右键单击后设置，如下图是设置了一个准方波，周期1ms。

暂态仿真

先仿真看下时域波形。Simulate-edit simulation cmd，修改仿真设置。

（也可以像上一步中一样，添加Edit-SPICE Derivitives，直接输入.tran 3m startup，放在仿真模型中，效果相同。）

仿真运行后，可以在原理图的元件、线路上单击，可以查看对应位置的电压电流波形，也可以输入表达式，如V(out)/V(in)。

比如，下面波形上半部分是输入和输出的波形，可以看到输入是方波，低电平15V，高电平30V，而输出稳定在10V。下半部分是输出V(out)放大后的波形，可见输出电压随着输入有微小的波动。

DC扫描

修改仿真模式为DC sweep，设置如下图，或者.dc V1 15 30 1。对输入电压V1进行扫描，可以看到搭建的稳压源的输出电压随着输入电压的变化情况（line regulation）

仿真结果如下图，注意到横坐标变成了输入V1的电压值。

总结

介绍了TL431的等效电路和几种应用电路。
使用LTspice搭建了一个基于TL431的稳压源：
- LTspice导入spice仿真模型。
- 使用LTspice进行简单的仿真。