一種基于TL431 的浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 力，李 川，王洋洋，劉少龍，劉濤瑜

（中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068）

0 引 言

隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，各種集成式電子設(shè)備在人們的生活中已隨處可見，電子產(chǎn)品給人們的生活帶來了極大的便利，人們也越來越離不開這些電子產(chǎn)品。隨著電子產(chǎn)品的不斷應(yīng)用，人們對(duì)這些電子產(chǎn)品的質(zhì)量問題也越發(fā)關(guān)注。眾所周知，電子產(chǎn)品在使用過程中難免會(huì)遇到意外的電壓瞬變和浪涌電壓，導(dǎo)致電子產(chǎn)品的壽命及性能大幅度下降，甚至直接損壞電子設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子產(chǎn)品的故障有75%是由電壓瞬變和浪涌電壓造成[1-3]。為了提高電子產(chǎn)品的穩(wěn)定性，電路設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)電源電路進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)。目前，常用的電源保護(hù)電路是采用功能模塊級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)尖峰抑制或過壓保護(hù)，最常見的浪涌過壓保護(hù)方案是采用瞬態(tài)電壓抑制二極管（Transient Voltage Suppressor，TVS）[4-9]。由于TVS 管的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通阻抗特點(diǎn)使其反向擊穿電壓過低，往往不適用于高精度過壓浪涌防護(hù)電路。為此本文提出一種基于TL431 的新型高精度過壓浪涌防護(hù)方法，該方法結(jié)構(gòu)簡單，過壓浪涌響應(yīng)速度快，具有極高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 可控精密穩(wěn)壓源TL431 介紹

可控精密穩(wěn)壓源TL431是美國德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的一種三端可調(diào)并聯(lián)穩(wěn)壓集成電路，對(duì)外包含3個(gè)引腳，分別為陰極（CATHODE）、陽極（ANODE）和參考端（REF），輸出調(diào)節(jié)范圍為2.5 ～36 V，內(nèi)部由一個(gè)電壓比較器、一個(gè)輸出開關(guān)管和一個(gè)精密基準(zhǔn)電壓源組成，基準(zhǔn)電壓源為比較器的反向輸入端提供偏置，從而使參考端電平有一個(gè)精準(zhǔn)的比較電壓，基準(zhǔn)穩(wěn)壓源的典型電壓值為2.495 V，其等效功能框圖如圖1 所示[10]。

圖1 TL431 功能框圖

可控精密穩(wěn)壓源TL431 的工作機(jī)理為當(dāng)參考端電壓低于基準(zhǔn)源Uref時(shí)，比較器發(fā)低電平，三極管不導(dǎo)通，輸入電壓Uin等于輸出電壓Uout。當(dāng)輸入電壓Uin過高時(shí)，參考端電壓高于基準(zhǔn)源Uref，比較器發(fā)高電平，三極管導(dǎo)通使TL431 的陰極管腳拉地，輸出電壓迅速降低。根據(jù)反饋可知，參考端電壓也將降低，當(dāng)參考端電壓低于基準(zhǔn)源Uref時(shí)，比較器又重新發(fā)低電平，三極管關(guān)斷從而使輸出電壓變高。根據(jù)這個(gè)原理可以通過調(diào)節(jié)R1和R2的阻值，得到想要的輸出電壓值。其輸出表達(dá)式為

此時(shí)，需要注意流過陰極的電流應(yīng)在1 ～100 mA范圍內(nèi)，在使用TL431 時(shí)往往需要加限流電阻R3，其阻值大小計(jì)算公式為

輸出電壓不得大于36 V，否則有可能會(huì)損壞元器件。

2 電路設(shè)計(jì)框圖及防護(hù)原理介紹

2.1 電路設(shè)計(jì)框圖

提出的電路設(shè)計(jì)基本框圖如圖2 所示，其主要組成部分包括輸入濾波電路、輔助電源電路、過壓浪涌防護(hù)電路以及功率變換電路。整流濾波電路能夠?yàn)V除直流輸入中夾雜的交流信號(hào)，保證電源的輸入質(zhì)量。輔助電源電路為驅(qū)動(dòng)電路、控制電路提供穩(wěn)定的低壓電源，也可為電路提供精準(zhǔn)的參考電平。過壓浪涌防護(hù)電路為電路提供輸入保護(hù)，防止后級(jí)電路受到損害。功率變換電路是為滿足不同供電設(shè)備要求所進(jìn)行的電壓和功率轉(zhuǎn)換電路。防護(hù)電路利用TL431 的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，輸出反饋接TL431 的參考端，電路開關(guān)使能接TL431的陰極。當(dāng)檢測到輸出電壓過大時(shí)，TL431 的參考端電壓過高從而使其陰極擊穿，關(guān)斷電路的輸出通道，起到浪涌防護(hù)效果。

圖2 電路設(shè)計(jì)基本框圖

2.2 防護(hù)原理介紹

根據(jù)圖2 的電路設(shè)計(jì)基本框圖設(shè)計(jì)過壓浪涌防護(hù)電路（見圖3）。該電路中的電容C1、C2為儲(chǔ)能濾波電容，R1、R2、R4及R5為分壓電阻，R3為限流電阻，UCC為輔助電源電壓，Q1為P 型MOSFET 開關(guān)管，Q2為穩(wěn)壓二極管，用以防止因MOSFET 開關(guān)管的柵源極壓差過大從而損壞開關(guān)管，Q3為三極管，D1為TL431 精密穩(wěn)壓源。浪涌防護(hù)電路的工作原理為當(dāng)輸入電壓在正常范圍內(nèi)時(shí)，輔助電源電壓UCC使三極管Q3導(dǎo)通，此時(shí)MOSFET 開關(guān)管Q1的柵極電壓因分壓電阻R1和R2的分壓小于源極電壓，達(dá)到P 型MOSFET 的導(dǎo)通條件，Q1導(dǎo)通，Uout有輸出，電路正常工作。當(dāng)出現(xiàn)瞬態(tài)電壓浪涌時(shí)，Uout瞬間變大，此時(shí)精密穩(wěn)壓源TL431 的參考端電壓也迅速變大，當(dāng)參考端電壓Uref大于TL431 內(nèi)部的基準(zhǔn)穩(wěn)壓源電壓時(shí)，TL431 的陰極拉地使輔助電源電壓UCC變?yōu)? V，Q3關(guān)斷，此時(shí)MOSFET 開關(guān)管Q1的柵極電壓等于源極電壓，Q1關(guān)斷，電路不導(dǎo)通從而使Uout迅速變小，避免后級(jí)電路受到浪涌電壓的損害。當(dāng)輸出電壓Uout降低并使精密穩(wěn)壓源TL431 的參考端電壓Uref小于TL431 內(nèi)部的基準(zhǔn)穩(wěn)壓源電壓時(shí)，Q3導(dǎo)通并使Q1重新打開，輸出電壓Uout又開始升高，使輸出電壓Uout在升壓降壓模式下不斷跳動(dòng)，從而維持在所設(shè)定的電壓值附近。

圖3 浪涌防護(hù)電路

3 電路仿真

為驗(yàn)證該浪涌防護(hù)電路的防護(hù)效果，使用仿真軟件LTspice 對(duì)其進(jìn)行仿真，搭建如圖3 所示的仿真電路。輸入源設(shè)置正常輸入電壓為28 V，浪涌電壓為60 V，R1、R2、R4為10 kΩ，R5為134 kΩ，由式（1）可知設(shè)置的浪涌防護(hù)電壓為32 V。仿真結(jié)果如圖4 所示，可以看到在前200 ms 內(nèi)，輸出電壓隨著輸入電壓快速上升至28 V，在200 ms 時(shí)輸入電壓施加一個(gè)60 V 的浪涌電壓，可以看到輸出電壓隨著輸入電壓開始上升，當(dāng)輸出電壓超過設(shè)置的浪涌防護(hù)電壓32 V 時(shí)，輸出電壓迅速下降并穩(wěn)定在32 V，隨后輸出電壓又隨著輸入電壓慢慢回到28 V 并穩(wěn)定輸出。仿真結(jié)果表明，該浪涌防護(hù)電路具有良好的浪涌防護(hù)效果，可以有效防止后級(jí)電路遭受浪涌電壓的損害。

圖4 仿真結(jié)果

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

文章提出的浪涌防護(hù)電路在電源模塊中進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，設(shè)置的浪涌防護(hù)電壓為32 V，現(xiàn)對(duì)其浪涌防護(hù)效果進(jìn)行實(shí)測，測試設(shè)備包括1 臺(tái)直流電源（串聯(lián)模式下可輸出64 V），1 臺(tái)四通道示波器，2 只電壓探頭。為了驗(yàn)證該設(shè)計(jì)在出現(xiàn)浪涌電壓時(shí)電路的防護(hù)效果，設(shè)置直流源輸出電壓為48 V，模擬出現(xiàn)過壓浪涌時(shí)的情況，示波器的周期為100 ms，每格電壓幅度為20 V，并用2 個(gè)探頭分別對(duì)其浪涌防護(hù)電路的輸入和輸出電壓進(jìn)行檢測，檢測波形如圖5 所示。由圖5 可知，上電瞬間輸入電壓迅速上升到預(yù)設(shè)的48 V，隨后快速下降，同時(shí)輸出電壓慢慢上升，這是因?yàn)殡娐穼?dǎo)通瞬間電路輸出端的儲(chǔ)能濾波電容快速充電使輸入電壓拉低，隨后輸入電壓和輸出電壓一起緩慢上升，輸入電壓上升并穩(wěn)定在了48 V，輸出電壓在上升至32 V 時(shí)不再上升，穩(wěn)定保持在32 V。通過實(shí)際測量表明該設(shè)計(jì)具有良好的過壓浪涌防護(hù)效果。

圖5 實(shí)測電壓波形

5 結(jié) 論

文章提出了一種基于TL431 的高精度浪涌防護(hù)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，響應(yīng)速度快。通過對(duì)其原理進(jìn)行分析說明，并對(duì)電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證，表明該設(shè)計(jì)具有良好的浪涌防護(hù)效果。最后在實(shí)際電路中對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行應(yīng)用，通過實(shí)測驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的可行性，為以后的電源防護(hù)設(shè)計(jì)提供了一種良好的防護(hù)設(shè)計(jì)方案。