关于TL431工作方式的另一种理解

        TL431有着较为特殊的动态抗阻，是一种较为精密的可控稳压源，在电路当中，TL431也作为一种并联型的稳压电路来使用，当然使用方法并不局限在这一种，其还能够作为串联或电压基准来使用。TL431的主要作用是使电路获得更加稳定的电压，虽然人们都知道使用TL431，但是并没有几个人对其工作原理进行深入的剖析，本篇文章就将为大家介绍关于TL431工作方式的另一种理解方式。
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说到TL431的工作方式，很多人想到的必然是TL431+PC817的电源电路。其实任何基于431手册中的稳压电路，都可以有合理的电路模型。
而TL431和PC817的反激电源中的TL431,却无法，或很难解释。


图1是TL431的内部原理图

首先，这里有一个最最基本的问题。当TL431正常工作在稳压电源中的时候，Cathode的电压是多少?大家想过这个问题吗?


图2

对于如图2的TL431常用稳压电路，C的电压是确定的。
由电源电压减去电阻电压，就可以得到。因为REF的电压因为负反馈而稳定就使2.5V.但TL431+PC 817中的TL431,却没有明确的Cahode电压!


图3 反激电源中的TL431

通过TL431的内部电路，可以看出，Cathode的电压不应该低于2.5V。因为只有Cathode的电压高于2.5V,Q1的这个三极管，才可以工作在放大状态。如果低于2.5V，那么Q1会进入饱和方式，而失去放大作用。不难看出，此时，Q2、Q3、Q4等三极管也会失去放大作用而饱和。
三极管饱和的方式，肯定不是TL431的设计者，最初的想法，他的想法，肯定是要让这些三极管工作在放大方式的。C低于2.5V,在反激的431中，不会出现2.5V流向5V的电流，假设反激电压为输出5V.如果REF电压高于C,电流也是从集电极到发射极的流动方向。最好的情况是，3.28K电阻之下的电路工作正常，而可以输出1.5V左右的基准电压。
而最好的情况是，假设即使Cathode低于2.5V,431也可以反馈正常工作。对于TL431组成的稳压电源，必须提供431，手册说的1mA的Cathode到Anode的工作电流。
但是，在反激电压的TL431中，这根本就不需要!这一点，需要特别注意。因为仅此一点，就彻底否定了LED并联电阻的，毫无意义的做法。
对于TL431手册中的稳压电源电路，必须提供1mA电流，才可以正常工作。而反激电源中的TL431,在C到A的电流为0的时候，恰好是UC3842输出最大占空比的时候，这必然产生输出电压，而使得TL431工作。
所以，在反激电源中，根本不需要关心TL431的电流问题，特别是启动的时候。这是必然会产生的。
试想，UC3842的反激电源启动了，此时，没有输出电压。TL431也没有电流，不工作。但UC3842因为其中的运放会输出最大的1mA电流，流向了1V稳压管并联的电阻，而导致设定的占空比最大，而输出电压逐步上升。


       
随着5V电压的逐渐增大，TL431的C和A之间如果不导通，那么其CA电压会5V左右，这会与TL431的输出电压电流IV曲线出现矛盾，所以TL431必定会在CA间产生电流。而5V的分压电阻，在REF 产生2.5V左右电压，导致TL431正常工作。
LED电流对应一定的输入电压和负载电阻。就是说，如果输入电压固定，负载一定，那么就会有与之一一对应的TL431的C到A的电流，就是LED电流。如果两者，有一个或2个都改变，那么LED电流，必然改变。所以，最大的输入电压，和最小的负载电阻，对应最小的LED电流，可以是0。
最小的输入电压，最大的负载电阻，对应最大的LED电流。几个mA.请注意，无论如何，TL431在CA电流为0，就是LED电流为0的时候，是无法工作的。但此时UC3842输出最大占空比，而导致，TL431会逐渐开始工作。
就是说，反激电源中的TL431，C到A的电流是可以为0的，而这对应最大的占空比。我们的目的，是让UC3842产生连续可调的占空比，对于TL431是否工作，这不重要!但只要产生足够的输出电压，TL431必定负反馈正常工作。但因为UC3842的电流变化只有1mA，如果TL431的LED电流变化达到10mA，那么9mA的调节死区，会给输出电压，带来振荡。所以，这就是我们需要串联Rled这个电阻的唯一原因。
这个电阻，无法用频率补偿的那套方法分析计算。到目前为止，只能定性理解。至少，因为TL431一旦没有电流，就不可能有电路模型高频的!这个Rled电阻，对于输出电压的动态过程产生影响。
越大越好，因为LED电流变化就小了，比如说，变成了5mA的变化范围，就比10mA的9mA死区，输出电压电振荡小不少。一般来说2mA足以了。但确实是不好计算。因为我们不知道，2mA的LED电流，TL431的cahoce电压为多少。所以就没有办法来计算Rled这个电阻的大小。
假如认为TL431的C电压必须不低于2.5V,那么，这依然不符合实际情况。因为最大UC3842输出占空比时候，TL431的电流就可以为0的。但还是假设这么算，C不低于2.5V的话，就按2.5V来算。
Rled=(5-1.5-2.5)V/2mA=500欧姆。


图4

对于TL431的设计理念，不管其设计者，最初是否如下图所示，图4的原理与TL431是完全一样的。因此，TL431+PC817的确是个，到目前为止，使用众多的电路。
最好的，最合乎情理的，方法就是用运放，用TL431提供电压基准的方式，比如那个着名的使用LM258的输出有2个二极管的恒压恒流电路。因为这个电路是可以用正常的理论方法，进行分析和计算的。而TL431+PC817，是无法计算的!敢算的是概念错误!
是的，我们可以说，TL431+PC817是正确的电路，因为的确可以正常工作，只是因为TL431的工作方式问题，会对于动态过程，产生振荡，或其他不可思议的问题。因为这不是一个，目前的理论，能够解释和分析计算的。
使用运放的反激电路，基本都是可以用现有理解分析计算的，所以问题不大。这就是两种方式的主要区别。
使用TL431+PC817的唯一原因就是成本问题。但从负反馈的原理来说，是正确的，但过度的动态过程，不好说。
再明确一点就是，TL431可以工作在非正常方式，而产生负反馈作用。就是说，C的电压低于2.5V，依然可能可以有正常的负反馈作用。
而要计算的话，就要假设，TL431，只能工作在C不低于2.5V的情况下。因为UC3842输出最大占空比时，TL431的电流可能为0.1mA，而0.1mA不足以使TL431 正常工作，但在整个电路的调节过程中，TL431不正常工作，依然在现实中，调节了输出电压，而让人们觉得这没有问题。
如果非要定量计算，也是要把TL431当作跨导放大。传递函数是gm*A/(Ts+1)的形式。而此时，与电阻Rled无关!这是需要特别注意的。Rled就是限制电流的作用，但我们却无法计算这个电阻。但设置一个Rled电阻值，就可以知道最大不可能超过的电流，毕竟我们也不希望TL431，因为没有电阻限流，而流过100mA电流。
Rled能否对调节产生作用?定性来说可以，越小，虽然可能振荡的情况增大，但毕竟调节还是比较快的。Rled大，那么调节速度就可能变慢，但振荡小。
那么，为何假设TL431正常工作的，跨导模型，无法证明Rled的作用呢?因为理想的小信号模型，在现实中，是不存在的!这是一个无法小信号化的，严重的非线性电路。如果TL431无法小信号化，那么所谓的II型补偿，从何谈起呢?如果全面测试的结果，表明，TL 431+PC817的反激电源正常工作，看来我们也只能相信了。
这些根本毫无道理的补偿方法，居然真的起作用了。当然了gm是随LED电流变化而变化的，LED电流越大，那么gm也越大，开环的增益也越大，故LED电阻越小，穿越频率越大，就反应越快。终于对上号了! 呵呵
那么，gm*A/Ts+1的模型就可以用了，但人们貌似还都不是这么用的。因为不说gm很难得到，就是A和T也是不知道的。好在，人们用的是PID等补偿方法，可以把运放或TL431看作理想的。


       
PID之类的确是个好主意。要是换上7805类的补偿，还真没办法!积分真的太有用了，不是为了消除静态误差，而是可以把运放当作理想的。为了证明431的电流控制方式，II型补偿依然有效，进行了如下推导计算。


图5




图6

因为Vref上电后就是稳定的了，所以被Rled*(R1+R2)除以后，很小，视为0。
得到框图如下：
　


图7

这依然是个复杂的反馈。还不是那种单环路的反馈框图形式。无法用现有的频率补偿方法。
这是需要了解的。但是，如果把Vo/Rled视为扰动的话，那么就可以变成如下的标准形式了。而且，这个假设，视为输出电压缩小Rled倍后为扰动，很是合理。
　


图8

于是乎，基于上述假设，我们得到了，一个单回路反馈的标准形式。也就说明了，II型补偿，对于TL431型反馈电路来说，补偿可以看作有效。费这么大劲才能证明这么一个看似无需考虑的问题，这是人们把TL431视为电压型运放的错误的思想导致。为了证明II在反激中有效，恐怕还是需要向本大师一样，如此推导计算的。
然而这依然是个复杂的反馈，比电压型运放的反馈，复杂。电压型反馈，只有一个标准的反馈回路，开环传递函数，一目了然。而这个电流的复杂多了。如果不是把Vo/Rled视为扰动，我们几乎很难用通常的补偿方法补偿。最后，需要指出的是，只有教科书中开关电源电路，才是唯一符合补偿方法的。例如PID，II型等补偿方法。对于TL431+PC817的反激电源，并不适合。所以，书本里的电路，符合控制原理的方法。主要还是单回路控制。一目了然。几乎为降低成本的设计，例如TL431+PC817，用通常的方法，是无法分析的。必须做出一些假设才行!这个道理，是使用TL431+PC817进行II补差的人，所不知道的!
电子电路中有很多不符合控制理念的反馈电路。这个就是其中第一个。电流和电压的所谓ACM控制，也是不符合控制原理的，所谓的貌似可以在电子电路里多数情况工作良好的电路。只能说，反激电源，如果理解成双环反馈，还是可以行的通的。条件是输出电容足够大，在几个开关周期，不会造成输出电容电压的较大变化。这样就可以理解为串级控制。
TL431 其实就是带基准的比较器(高增益)，与PC817一起使用解释不是什么难事。难事就是怎么样让比较器输出为线变化(这就扯到了补偿)。PC817实际就是一个隔离的线性放大器。
本篇文章从一个全新的角度对TL431的工作原理进行非常详细的分析，不管文中的观点是否正确，它的确为人们提供了另一种思路，从侧面帮助大家多进行思考，从不同的角度来观察问题。