Как работает tl431: TL431 принцип работы и очень простая проверка. — schip.com.ua

Содержание

Источники опорного напряжения

Источник опорного напряжения – определение

Источники опорного напряжения (ИОН) – специализированные элементы силовой электроники, формирующие стабильное выходное напряжение, уровень которого является опорным для различных узлов устройства. ИОНы – это своеобразные «кварцевые генераторы» эталонного выходного напряжения, которое используется в качестве напряжения сравнения в ШИМ-генераторах, различных компараторных устройствах измерительных блоках и т.д.[Интегральные источники опорного напряжения. Михаил Пушкарев. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ. №6. 2007. с. 71-76].

Основное требование к источникам опорного напряжения – высокая стабильность выходного напряжения. Стабильность по отношению к входному напряжению, температурная и временная стабильность. По внутреннему принципу работы ИОНы подразделяются на а – стабилитронные, б – на ширине запрещенной зоны, в – на XFET-ячейке. По схемотехнике включения – на параллельные и последовательные.

ИОН TL431 – «регулируемый стабилитрон»

Наиболее популярным параллельным ИОН является «регулируемый стабилитрон» TL431. Внутренняя структура TL431 и условное обозначение представлены на рисунке VR.

Рисунок VR.1 – Внутренняя структура и условное обозначение программируемого стабилитрона TL431

Внутри TL431 находится компаратор один их входов которого подключен к источнику опорного напряжения, а другой подключен выводу Ref «программируемого стабилитрона». Компаратор управляет биполярным транзистором параллельно которому включен обратный диод. Если напряжение на входе R превышает напряжение внутреннего опорного источника, то компаратор открывает транзистор. Если напряжения на катоде и управляющем входе Refсвязаны (например, через резисторный делитель), то возникает отрицательная обратная связь обеспечивающая свойство стабилизации напряжения между катодом и анодом.

Рисунок VR.2 – Базовая схема включения программируемого стабилитрона TL431

Принцип работы схемы представленной на рисунке VR.2 заключается в следующем. Если напряжение на выходе резисторного делителя R1R2 превышает опорное напряжение стабилитрона, то стабилитрон приоткрывается и ток через токоограничивающий резистор увеличивается. Соответственно напряжение между катодом и анодом стабилитрона уменьшается и устанавливается на некотором стабильном уровне определяемом коэффициентом деления резисторного делителя R1R2. Аналогично работают и другие схемы на основе «программируемого стабилитрона».

Основные параметры ИОН

1. Выходное напряжение (напряжение стабилизации, опорное напряжение) (Reference voltage) – V_ref – пороговое напряжение между теми или иными входами ИОН, при котором срабатывает схема стабилизации.

2. Отклонение выходного напряжения от номинального значения (Deviation of reference input voltage) V

I(dev) – абсолютное отклонение напряжения от уровня порогового напряжения V_ref. Обычно указывается во всем диапазоне температур. Этот параметр характеризует стабильность ИОН.

3. Температурный коэффициент выходного напряжения (temperature coefficient of thereference input voltage) α_Vref – относительное отклонение выходного (опорного) напряжения под действием изменения температуры.

4. Коэффициент стабилизации выходного напряжения по отношению к напряжению питания (Ratio of change in reference voltage to the change in cathode voltage) ΔVref/ΔV_KA – показывает отношение изменения выходного напряжения (напряжения стабилизации) к вызвавшему его изменению напряжения катод-анод (для параллельных ИОН) или входного напряжения (для последовательных ИОН).

5. Коэффициент стабилизации выходного напряжения по отношению к протекающему по ИОН току нагрузки – показывает отношение изменения выходного напряжения (напряжения стабилизации) к вызвавшему его изменению тока в цепи катод-анод (для параллельных ИОН) или выходного тока (для последовательных ИОН).

6. Максимальное входное напряжение (для последовательных ИОН), напряжение катод-анод (для параллельных ИОН) (Cathode voltage) V_KA – максимальное входное напряжение ИОН / напряжение между катодом и анодом ИОН.

7. Максимальный постоянный ток нагрузки ИОН, ток катода для последовательных ИОН (Continuous cathode current range) I

KA – максимальное значение постоянного тока в цепи нагрузки ИОН.

8. Минимальный входной ток вывода Ref (Minimum cathode current for regulation) I_min– минимальный уровень входного тока вывода Ref При котором обеспечивается стабилизация выходного напряжения.

9. Ток утечки ИОН в непроводящем состоянии (ток катода для параллельных ИОН) (Off-state cathode current) I_off – выходной ток (ток катода) при выключенном стоянии ИОН.

10. Максимальная температура кристалла (Operating virtual junction temperature) T_J .

Примеры использования ИОН

Примеры использования ИОН TL431 представлены на рисунке VR.3.

Рисунок VR.3 . Примеры использования ИОН TL431: a – элемент обратной связи по напряжению на выходе источника питания; b – последовательный линейный стабилизатор напряжения; c – генератор постоянного тока.

Реверс-инжиниринг TL431, крайне распространенная микросхема, о которой вы не слышали / Хабр. Барс в статье упомянул свой разговор с Кеном, но этой переведенной статьи еще не было.

Фотография кристалла интересной, но малоизвестной микросхемы TL431, используемой в блоках питания, позволяет понять, как реализованы аналоговые схемы в кремнии. Несмотря на то, что схема на фото выглядит как какой-то лабиринт, сама микросхема относительно проста, и исследовать ее можно без особого труда. В своей статье я попытаюсь объяснить, как транзисторы, резисторы и другие радиодетали упакованы в кремний для выполнения своих функций.

Фотография кристалла TL431. Оригинальные Зептобары.

TL431 представляет собой «программируемый прецизионный источник опорного напряжения» [1] и обычно используется в импульсных источниках питания для обеспечения обратной связи при слишком высоком или, наоборот, малом выходном напряжении. Используя часть схемы, называемую запрещенной зоной (опорное напряжение, величина которого определяется шириной запрещенной зоны), TL431 обеспечивает стабильное опорное напряжение в широком диапазоне температур. На блок-схеме TL431 виден источник опорного сигнала 2,5 В и компаратор, но глядя на фото кристалла видно, что внутреннее устройство микросхемы отличается от рисунка.

Блок-схема TL431 взята из таблицы данных.

TL431 имеет долгую историю: он был выпущен еще в 1978 году [2] и с тех пор используется во многих устройствах. Он помог стабилизировать напряжение в блоке питания для Apple II, а сейчас используется в большинстве блоков питания ATX [3] и даже в зарядных устройствах для iPhone и других устройств. И MagSafe-коннекторы, и переходники для ноутбуков, и микрокомпьютеры, драйверы светодиодов, блоки питания для аудиоаппаратуры, видеоприставок, телевизоров [4]. Вся эта электроника имеет TL431.

На фотографиях ниже показан TL431 внутри шести разных блоков питания. TL431 доступен в различных формах и размерах. Два наиболее популярных форм-фактора показаны ниже. [5] Возможно, причина того, что TL431 не привлекает особого внимания, заключается в том, что он больше похож на обычный транзистор, чем на микросхему.

Шесть примеров цепей питания с использованием TL431. Верхний ряд: дешевый 5-вольтовый блок питания, дешевое зарядное устройство для телефона, зарядное устройство для Apple iPhone (на фото еще можно увидеть вариант GB9). Нижний ряд: адаптер MagSafe, USB-память KMS, блок питания Dell ATX (оптопары на переднем плане)

Как электронные компоненты выглядят в кремнии?

TL431 — очень простая микросхема, и понять ее логику на кремниевом уровне вполне можно при внимательном рассмотрении фото. Я покажу, как реализованы транзисторы, резисторы, перемычки и конденсаторы. А потом проведу полный реверс-инжиниринг этого чипа.

Реализация различных типов транзисторов

В чипе используются биполярные транзисторы как npn, так и pnp (в отличие от чипов типа 6502, в которых использовался MOSFET). Если вы изучали электронику в школе или университете, вы, возможно, видели схему npn-транзистора (подобную приведенной ниже), которая показывает коллектор (обозначенный C), базу (B) и эмиттер (E). Транзистор изображен как своего рода сэндвич с P-слоем между двумя N-слоями, такое расположение слоев характеризует транзистор как npn. Однако оказывается, что в микросхеме нет абсолютно ничего похожего на эту схему. Даже база не в центре!

Условное обозначение и структура транзистора npn.

На фото ниже вы можете рассмотреть один из транзисторов TL431. Цветовые различия в розовых и фиолетовых областях вызваны различным легированием кремния для формирования областей N и P. Светло-желтые участки — металлический слой чипа, расположенный поверх кремния. Такие участки нужны для обеспечения возможности подключения проводников к коллектору, эмиттеру и базе.

В нижней части фотографии показано поперечное сечение, примерно показывающее конструкцию транзистора. [6] Видно, что деталей на нем намного больше, чем в npn-сэндвиче из книг, Однако, если присмотреться, в сечении под эмиттером (E) можно найти тот самый npn, из которого состоит транзистор. Эмиттерный проводник соединен с кремнием N+. Под ним находится P-слой, соединенный с базовым контактом. Еще ниже находится слой N+, соединенный с коллектором (не напрямую). [7] Транзистор заключен в кольцо P+ для изоляции от соседних компонентов. Так как большинство транзисторов в TL431 относятся к типу npn, то после того, как они разобраны первый раз, их очень легко найти на фото и определить нужные контакты.

npn-транзистор с фотографии кристалла TL431 и его структура в кремнии.

Выходной npn-транзистор намного больше остальных, так как он должен выдерживать полную токовую нагрузку. Большинство транзисторов работают с микроамперами, а этот выходной транзистор поддерживает токи до 100 миллиампер. Для работы с такими токами его делают крупнее (занимает 6% всего кристалла), а на эмиттере и коллекторе имеют широкие металлические разъемы.

Топология выходного транзистора сильно отличается от других транзисторов npn. Создается, так сказать, сбоку, плоскостная структура вместо глубокой, а база располагается между эмиттером и коллектором. Металл слева соединен с десятью эмиттерами (голубоватый кремний N-типа), каждый из которых окружен розовым Р-слоем, являющимся базой (средним проводником). Коллектор (правая сторона) имеет только один большой контакт. Эмиттерный и базовый проводники образуют вложенную «гребенку». Обратите внимание, что металл коллектора становится шире сверху вниз, чтобы поддерживать высокие токи в нижней части транзистора.

Транзисторы типа Pnp имеют совершенно другую структуру. Они состоят из круглого эмиттера (Р), окруженного базовым кольцом (Н), которое, в свою очередь, окружено коллектором (Р). Таким образом получается горизонтальный сэндвич, вместо обычной вертикальной структуры npn-транзисторов. [8]

На приведенной ниже схеме показан один из этих pnp-транзисторов, а в поперечном сечении показана кремниевая структура. Стоит отметить, что хотя металлический контакт для базы расположен в углу транзистора, он электрически связан через области N и N+ с активным кольцом, которое проходит между коллектором и эмиттером.

Структура транзистора pnp.

Реализация резисторов в микросхеме

Резисторы являются ключевым компонентом практически любой аналоговой схемы. Они выполнены в виде длинной полоски легированного кремния. (Похоже, в этом чипе использовался кремний P-типа). Различные сопротивления достигаются с использованием различных участков материала – сопротивление пропорционально площади.

Внизу заметны три резистора – они образованы тремя длинными горизонтальными полосками кремния. Через них проходят желтоватые металлические проводники. Место соединения металлического слоя и резистора выглядит как квадраты. Расположение этих контактов задает длину резистора и, соответственно, его сопротивление. Например, сопротивление нижнего резистора немного больше остальных, потому что контакты расположены на большем расстоянии. Верхние два резистора соединены металлическим слоем слева вверху.

Резисторы

Резисторы в микросхемах имеют очень плохой допуск – сопротивление между микросхемами может различаться на 20% из-за различий в производственном процессе. Очевидно, что это серьезная проблема для прецизионных микросхем, таких как TL431. Поэтому TL431 сконструирован таким образом, что важной характеристикой является не удельное сопротивление, а коэффициент сопротивления. Конкретные значения сопротивлений не имеют большого значения, если сопротивления изменяются в одинаковой пропорции. Второй способ снижения зависимости от эффекта изменчивости — топология самого чипа. Резисторы расположены на параллельных дорожках одинаковой ширины, чтобы уменьшить влияние любой асимметрии сопротивления кремния. Кроме того, они размещены рядом друг с другом, чтобы свести к минимуму отклонения свойств кремния между разными частями чипа. Помимо всего этого,

Силиконовые перемычки для настройки сопротивления

Вот чего я не ожидал в TL431, так это перемычки для регулировки сопротивлений. Во время изготовления чипа эти перемычки можно снять, чтобы отрегулировать сопротивление и повысить точность чипа. Некоторые из более дорогих чипов имеют сопротивления, которые можно удалить с помощью лазера, который просто выжигает часть резистора перед упаковкой. Точность этого метода намного выше, чем у перемычек.

Цепочка перемычек показана на фото ниже. Он содержит два параллельных резистора (на фото они выглядят как один элемент) и перемычку. В нормальном состоянии эта перемычка шунтирует резисторы. При изготовлении микросхемы можно измерить ее характеристики, а если требуется большее сопротивление, то к площадкам подключают два щупа и подают большой ток. Этот процесс сжигает перемычку, добавляя небольшое сопротивление цепи. Таким образом, сопротивление всей цепи можно немного подкорректировать для улучшения характеристик микросхемы.

Перемычка сопротивления

Конденсаторы

TL431 содержит только два внутренних конденсатора, но они сделаны двумя совершенно разными способами.

Первый конденсатор (под текстом «TLR431A») образован диодом с обратным смещением (красноватая и фиолетовая полосы). Обратный слой в диоде имеет емкость, которую можно использовать для формирования конденсатора (подробнее). Основным ограничением этого типа конденсатора является то, что емкость изменяется в зависимости от напряжения, потому что изменяется ширина обратного слоя.

Конденсатор с p-n переходом. Строка производителя написана с использованием металла, нанесенного поверх кремния.

Второй конденсатор устроен совершенно по-другому и больше похож на обычный конденсатор с двумя пластинами. Смотреть не на что — он состоит из большой металлической пластины с N+кремниевой подложкой в качестве второй пластины. Для того, чтобы поместиться рядом с другими частями цепи, она имеет неправильную форму. Этот конденсатор занимает около 14% площади кристалла, что свидетельствует о том, что конденсаторы в микросхемах очень неэффективно используют пространство. В даташите упоминается, что оба конденсатора по 20 пикофарад, но не знаю, насколько этому можно верить.

Конденсатор.

Реверс-инжиниринг TL431

Маркированный кристалл TL431.

На схеме выше элементы на кристалле выделены и названы, а затем перенесены на рисунок ниже. После всех пояснений ранее, я думаю, структура любого элемента должна быть ясна. Три вывода микросхемы подключены к реф, анодной и катодной площадкам. Чип имеет один уровень металлизации (светло-желтый) для соединения компонентов. На чертеже сопротивление задано относительно неизвестного R. Наверное, 100 Ом вполне подойдет, но точное значение не знаю. Самым большим сюрпризом стало то, что характеристики элементов сильно отличались от тех, что ранее публиковались в других схемах. Эти характеристики принципиально влияют на то, как стабилитрон обычно работает с напряжением запрещенной зоны. [9]

Чертеж TL431

Как работает микросхема?

Работа TL431 со стороны выглядит достаточно прямолинейно – если на контакт “ref” подать напряжение выше 2,5 вольт, то выходной транзистор проводит ток между катодом и анодом. В блоке питания это увеличивает ток, поступающий на микросхему управления (косвенно), и влечет за собой снижение мощности БП, после чего напряжение падает до нормального уровня. Таким образом, БП используют TL431 для того, чтобы стабильно держать необходимое выходное напряжение.

Самая интересная часть микросхемы — опорное напряжение, равное ширине запрещенной зоны. [десять]. На фото кристалла видны ключевые элементы: эмиттерная область транзистора Q5 в 8 раз больше, чем у Q4, поэтому два транзистора по-разному реагируют на температуру. Выходные сигналы с транзисторов объединяются через резисторы R2, R3, R4 в нужной пропорции для компенсации температурных воздействий, и формируют устойчивый опорный сигнал. [11] [12]

Напряжения с термостабилизированной запрещенной зоны поступают на компаратор, входом которого являются Q6 и Q1, а Q8 и Q9 управляют им. Наконец, выход компаратора проходит через Q10 для управления выходным транзистором Q11.

«Открыть» чип низкотехнологичным методом

Для получения фотографии кристаллического скола обычно требуется его растворение в опасных кислотах и фотографирование самого кристалла с помощью дорогого металлографического микроскопа. (Zeptobars описал этот процесс здесь). Мне было интересно, что произойдет, если я просто сломаю TL431 зажимными щипцами и посмотрю на него в дешевый микроскоп. В процессе я сломал кристалл пополам, но все равно получил интересные результаты. На изображении виден большой медный анод внутри корпуса, который по-прежнему работает как радиатор. Рядом с ним кристалл (по крайней мере, большая его часть), который крепился на аноде внутри белого круга. Заметили, насколько сам кристалл меньше своего тела?

Корпус TL431, внутренний анод и большая часть кристалла.

С помощью простого микроскопа получил фото снизу. Несмотря на то, что, очевидно, такого же качественного изображения, как у Зептобаров, я не получил, структура микросхемы видна гораздо лучше, чем я ожидал. Этот эксперимент показывает, что можно снимать корпуса микросхем и фотографировать кристалл, даже не прикасаясь к различным опасным кислотам. Сравнивая мой снимок дешевого TL431, заказанного на eBay, с TL431, сфотографированным Zeptobars, я вижу их идентичность. Так как его микросхема не совпадает с опубликованными чертежами, я задался вопросом, не остановились ли они на каком-то этапе производства той странной версии микросхемы. Но я думаю, что это предположение неверно.

Кусочек кристалла, сфотографированный под микроскопом.

Заключение

Является ли TL431 самым распространенным чипом, о котором люди не слышали? Нет надежного способа проверить, но я думаю, что это хороший кандидат. Никто, кажется, не публиковал данные, при которых еще один чип будет производиться в больших количествах. Некоторые источники утверждают, что таймер 555 — это самая распространенная микросхема с миллиардными тиражами каждый год (я не очень верю в такое большое количество). Но TL431 определенно занимает достаточно высокое место в списке распространенности. Скорее всего, у вас сейчас под рукой есть TL431 в каком-то устройстве (зарядное устройство для телефона, адаптер питания для ноутбука, блок питания для ПК или монитора). Отличие 555 или 741 от TL431 в том, что эти микросхемы настолько широко известны, что стали чуть ли не частью поп-культуры — книг, футболок и даже кружков. Но если вы не работаете с блоками питания, велика вероятность, что вы никогда не слышали о TL431. Вот я и отдал свой голос за TL431 в такой странной номинации. Если у вас есть другие варианты фишек, незаслуженно проигнорированные, оставляйте комментарии.

Благодарность

Хрустальные снимки, сделанные Zeptobars (кроме моего). Рисунок и анализ основаны на работе Cristophe Basso [12]. Кроме того, я значительно улучшил свой анализ благодаря обсуждениям с Michael из Zeptobars и группой Visual 6502, в частности B. Engl.

Примечания и ссылки

1. В связи с тем, что TL431 не имеет самой распространенной функции, стандартного названия элемента такого рода не существует. В разных даташитах даны такие названия: «регулируемый шунтирующий стабилизатор», «программируемый прецизионный источник опорного напряжения», «программируемый шунтовый источник опорного напряжения», «программируемый стабилитрон». ↑

2. Происхождение TL431 я раскопал в Справочнике по регулятору напряжения, изданном Texas Instruments в 1977 году. Предшественником этой микросхемы был TL430, выпущенный как регулируемый шунтирующий стабилизатор в 1976 году. TL431 был создан в том же 1976 году, что и обновление TL430 с улучшенной точностью и стабильностью, поэтому он был назван регулируемым прецизионным шунтирующим стабилизатором. В 1977 году он был анонсирован как один из будущих продуктов TI, а в 1978 году он уже поступил в продажу. Еще одним анонсом был TL432, который должен был называться «Блок сборки таймера/стабилизатора/компаратора» и состоять из источника опорного напряжения, компаратора и транзисторный усилитель по предварительному техпаспорту. Но на момент выпуска TL432 о плане обеспечения «строительными блоками» забыли. TL432 стал аналогом TL431 с другой цоколевкой для более удобной разводки печатной платы (datasheet). ↑

3. Современные блоки питания ATX (пример один, пример два) часто содержат по три TL431. Один для обратной связи с резервным питанием, второй для обратной связи по цепи основного питания, а третий взят как линейный стабилизатор на выходное напряжение 3,3В. ↑

4. Интересно посмотреть на импульсные блоки питания, не использующие TL431. В более ранних моделях в качестве источника опорного напряжения использовался эталонный стабилитрон. Например, такое практиковалось в первом экземпляре блока питания для блоков Apple II (Astec AA11040), но вскоре внесли замену в стабилитрон TL431 — Astec AA11040, ревизию Bed и. В Commodore CBM-II, Model B, использовалось необычное решение — TL430 вместо TL431. В исходном блоке питания для IBM PC использовался эталонный стабилитрон (вместе с кучей операционных усилителей). Позже блоки питания для ПК часто использовали TL49.4 ШИМ-контроллер, который уже содержал опорное напряжение для вторичной цепи. Другие блоки питания могут содержать SG6105, который уже включает два TL431.
Зарядные устройства для телефонов обычно используют TL431. Редко можно найти дешевую подделку этого элемента: проще вместо него взять стабилитрон и сэкономить пару копеек. Еще одним исключением могут быть зарядные устройства, например, для iPad. В них реализована стабилизация в первичной цепи и абсолютно не требуется обратной связи по выходному напряжению. В своей статье про блоки питания я описал это подробнее. ↑

5. TL431 доступен в большем количестве вариантов шасси, чем я думал. На двух фото TL431 выполнен в “транзисторном” корпусе с тремя ножками (ТО-92). На остальных фото показан вариант SMD в SOT23-3. TL431 также может быть в 4-контактном, 5-контактном, 6-контактном и 8-контактном корпусе SMD (SOT-89, SOT23-5, SOT323-6, SO-8 или MSOP-8). Кроме того, его можно встретить в увеличенном варианте ТО-252 или даже в виде 8-выводной микросхемы (ДИП-8). ( картинки ). ↑

6. Более подробную информацию о том, как устроен биполярный транзистор в кремнии, можно найти много где. Полупроводниковая технология дает хороший обзор транзисторного устройства npn. Презентация Basic Integrated Circuit Processing очень подробно описывает производство микросхем. Даже схемы из Википедии очень интересны. ↑

7. Возможно, вам интересно, почему такое терминологическое разделение коллектора и эмиттера, если в нашей простой транзисторной схеме они абсолютно симметричны? Ведь оба подключены к N-слою, какая разница? Но как видно на фото кристалла коллектор и эмиттер не только сильно отличаются по размеру, но и сплавление происходит по разному. Если поменять местами коллектор и эмиттер, у транзистора будет очень слабый коэффициент передачи. ↑

8. Транзисторы pnp в TL431 имеют кольцевую структуру, которая сильно отличается от npn. Эта круговая структура проиллюстрирована в книге «Проектирование аналоговых микросхем» Ганса Камензинда, автора книги «Таймер 555». Если вы хотите узнать больше о том, как работают аналоговые схемы, я рекомендую эту книгу, в которой этот вопрос подробно объясняется с минимумом математики. Бесплатная PDF или бумажная версия.
Кроме того, со структурой транзисторов pnp можно ознакомиться в «Принципах полупроводников». А в книге «Анализ и проектирование аналоговых интегральных схем» рассказывается о подробных моделях биполярных транзисторов и о том, как они реализованы в микросхемах. ↑

9. Транзисторы и резисторы на микросхеме, которую я исследовал, имеют совершенно другие характеристики по сравнению с опубликованными ранее. Эти характеристики принципиально определяют работу стабилитрона с запрещенным напряжением. Конкретно в предыдущих схемах R2 и R3 были в соотношении 1 к 3, а у Q5 зона эмиттера была в два раза больше, чем у Q4. Глядя на фото кристалла, вижу, что R2 и R3 имеют одинаковое сопротивление, а у Q5 эмиттерная зона в 8 раз больше, чем у Q4. Исходя из таких соотношений между характеристиками, мы получаем другое ΔVbe. Чтобы компенсировать разницу между реальными характеристиками и расчетными, в прошлом схемы R1 и R4 также делались другими, чем на кристалле. Я уточню этот момент более подробно далее в статье, но сразу отмечу: Vref = 2 * Vbe + (2 * R1 + R2) / R4 * ΔVbe должно быть около 2,5 вольт. Обратите внимание, что имеет значение не удельное сопротивление резисторов, а их соотношение. Как я уже писал ранее, это помогает нивелировать плохую переносимость резисторов в микросхеме. На микросхеме Q8 сформирован из двух параллельных транзисторов. Но я не могу понять, что стоит за этим странным решением. Я ожидал Q8 и Q9быть идентичными, чтобы построить сбалансированный компаратор. Моя основная теория заключается в том, что это делается для регулировки опорного напряжения, чтобы оно достигало 2,5 В. Б. Энгл предположил, что это может помочь устройству работать лучше при низком напряжении. На микросхеме Q8 сформирован из двух параллельных транзисторов. Но я не могу понять, что стоит за этим странным решением. Я ожидал, что Q8 и Q9 будут идентичны, чтобы построить сбалансированный компаратор. Моя основная теория заключается в том, что это делается для регулировки опорного напряжения, чтобы оно достигало 2,5 В. Б. Энгл предположил, что это может помочь устройству работать лучше при низком напряжении. На микросхеме Q8 сформирован из двух параллельных транзисторов. Но я не могу понять, что стоит за этим странным решением. Я ожидал Q8 и Q9быть идентичными, чтобы построить сбалансированный компаратор. Моя основная теория заключается в том, что это делается для регулировки опорного напряжения, чтобы оно достигало 2,5 В. Б. Энгл предположил, что это может помочь устройству работать лучше при низком напряжении. ↑

10. Не буду вдаваться в подробности реализации стабилитрона с запрещенным напряжением, не говоря уже о том, что его название созвучно названию какое-то безумное квантовое устройство, а на самом деле это всего лишь пара транзисторов. Чтобы понять, как работает этот стабилитрон, вы можете ознакомиться со статьей «Как сделать опорное напряжение запрещенной зоны за один простой урок» Пола Брокау, изобретателя одноименного стабилитрона. Кроме того, есть еще такая презентация. ↑

11. В некотором смысле схема запрещенной зоны в TL431 работает в противоположном направлении по сравнению с обычной запрещенной зоной, которая подает правильное напряжение на эмиттер, чтобы получить желаемое значение на выходе. Однако TL431 принимает опорное напряжение в качестве входного, а эмиттеры используют в качестве входных сигналов для компаратора. Другими словами, в отличие от блок-схемы, внутри TL431 входной «опорный» сигнал не сравнивается с каким-либо стабильным опорным напряжением. Вместо этого вход ref генерирует два сигнала для компаратора, которые совпадают, если входное напряжение составляет 2,5 вольта. ↑

12. Статей про TL431 много, но все они с уклоном в матан и ждут от читателя каких-либо начальных знаний в теории автоматического управления, графах Боде и т.д. «TL431 в контурах импульсных источников питания» — классическая статья Кристофа Бассо и Петра Каданки. Она объясняет работу TL431 в цепи компенсации обратной связи существующих блоков питания. Книга содержит подробные чертежи и описание внутреннего устройства элемента. Есть еще интересные статьи на powerelectronics.com. В статье Рэя Ридли «Проектирование с использованием TL431» для журнала Switching Power Magazine дается подробное объяснение того, как использовать TL431 в цепях обратной связи для блока питания, а также объясняется, как работает компенсатор. Вы можете обратить внимание на презентацию ON Semiconductor “TL431 в управлении импульсными источниками питания”. Разумеется, в даташите есть и рисунки внутреннего устройства микросхемы. Странно, но сопротивления на этих рисунках отличаются от тех, что я получил при рассмотрении фото кристалла. ↑

Замкнутый контур обратноходового преобразователя с использованием TL431

спросил 1 год, 11 месяцев назад

Изменено 1 год, 11 месяцев назад

Просмотрено 2к раз

\$\начало группы\$

У меня есть некоторые вещи, которые я не могу понять, когда использую TL431 для компенсации обратноходового преобразователя.

Это изображение взято из RICHTEK Control Design of Off-line Flyback Converter.

Согласно этому рисунку, если предположить, что выходное напряжение составляет 12 В, когда Vo>12, что означает, что напряжение на Rb выше 2,5 В, ток через TL431 становится небольшим, а напряжение Vcomp становится большим. Это то, что я понимаю до сих пор.

Мои вопросы:

Как спроектировать значение Rc3 в худшем случае, TL431 имеет минимальный ток около 1 мА~100 мА, каков наихудший случай обратного хода?
Как узнать выходное напряжение TL431?
Как TL431 может выполнять отрицательную обратную связь?

обратный ход
tl431

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

TL431 — это простой операционный усилитель с открытым коллектором (операционный усилитель) с автономным питанием и автономным опорным напряжением 2,5 В. Базовая электрическая схема показана ниже с французской улиткой и предположительно более быстрым кроликом. Я мог бы добавить черепаху и кролика, чтобы вспомнить еще Жана де ла Фонтена, но тут нет конкурентов 🙂

Когда питание стабилизируется на правильном уровне, т.е. 12 В в вашем примере, и вы измеряете напряжение на \$R_{нижний}\$, вы должны примерно найти 2,5 В. Механизм регулирования следующий:

при включении питания выходное напряжение 0 В и TL431 инертен
, потому что в светодиоде нет тока, нет падения на \$R_{LED}\$ и напряжение на катоде TL431 равно \$V_{out}\$-\$V_f\$. \$V_f\$ – падение напряжения на светодиоде, \$\примерно 1\;В\$.
, когда выходное напряжение увеличивается цикл за циклом, в какой-то момент TL431 просыпается, потому что напряжения достаточно для питания внутренней схемы и обеспечения опорного напряжения 2,5 В (около 2,5-3 В на катоде).
, так как \$V_{out}\$ еще далеко от цели, напряжение на выводе REF низкое из-за делителя, состоящего из \$R_1\$ и \$R_{lower}\$: TL431 остается в состояние с высоким импедансом и максимальное напряжение на \$C_2\$ на первичной стороне (возможно, 5 В, в зависимости от микросхемы), требующее максимального пикового тока.
до того, как \$V_{out}\$ достигнет 12 В, напряжение на выводе REF приблизится к 2,5 В, и TL431 начнет пропускать ток: напряжение на оптоколлекторе начинает падать, уменьшая заданное значение пикового тока.
, если петля хорошо стабилизирована, TL431 будет отводить достаточный ток, чтобы через ток светодиода поддерживать определенное напряжение на коллекторе, что, в свою очередь, обеспечивает правильный рабочий пиковый ток в цепи для входных и выходных условий: петля замкнута, и преобразователь прекрасно регулирует.
, если \$V_{out}\$ падает из-за того, что больше тока поглощается нагрузкой, TL431 потребляет меньше тока, а напряжение оптоколлектора возрастает, требуя большего пика.
, если \$V_{out}\$ увеличивается из-за того, что преобразователь переходит в режим малой нагрузки, через светодиод протекает больший ток, и напряжение на коллекторе падает до тех пор, пока не будет получен новый адекватный пиковый ток.

В любой рабочей точке в регулировании напряжение на катоде TL431 равно \$V_K=V_{out}-R_{LED}I_F-V_f\$. Важно понимать, что ток \$I_F\$, протекающий в скоростной полосе при регулировании, зависит исключительно от тока коллектора первичной стороны: \$I_F=\frac{I_C}{CTR}\$. Изменение \$R_{LED}\$ не изменит этот ток, но, очевидно, повлияет на падение сопротивления. Поэтому, если слишком сильно увеличить \$R_{LED}\$, падение может быть настолько велико, что остаточное напряжение на катоде TL431 может быть меньше 2,5-3 В и стабилизация сбивается. Вот почему я дал формулу для верхнего предела \$R_{LED}\$:

Итак, конкретно по вашим вопросам:

“Как спроектировать \$R_{LED}\$?” Вы выбираете это сопротивление на основе усиления, необходимого для кроссовера на выбранной частоте. Затем вы проверяете с помощью приведенной выше формулы, что у вас достаточно маржи с максимальным значением. Проблемы обычно начинают возникать, когда вы имеете дело с регулируемыми значениями 5 В или ниже. Если ток обратной связи \$I_F\$ в номинальных условиях слишком мал по сравнению с минимумом, рекомендованным в техпаспорте (1 мА или около того для классического TL431), то вы можете добавить дополнительное смещение в виде простого сопротивления в // со светодиодом. Он обеспечивает дешевый источник тока и не влияет на ток обратной связи в самом светодиоде.

Обратите внимание, что максимальный ток, наблюдаемый TL431, возникает в ситуации перенапряжения, например, при переходном выбросе или при разрыве контура: TL431 отчаянно пытается затормозить, пропуская максимальный ток через светодиод в попытке уменьшить пиковый ток. TL431 сделает это, уменьшив свое рабочее напряжение до \$V_{TL431min}\$, что составляет около 2,5-3 В. В этом случае максимальный ток, потребляемый TL431, равен \$\frac{V_{out}-V_f -V_{TL431мин}}{R_{LED}}\$. Предположим, что \$R_{LED}=1\;k\Omega\$ и \$V_{out}\$ при неисправности составляет 20 В, максимальный ток будет \$\frac{20-1-3}{1k} =16\;мА\$ далеко от максимального значения, указанного в техпаспорте. Затем вы можете сравнить это значение с максимально допустимым током светодиода, который составляет 60 мА для популярного компонента, такого как SFH-615: вы в безопасности.

“Как узнать напряжение TL431?”, вы применяете \$V_K=V_{out}-R_{LED}I_F-V_f\$, но это не имеет значения для процедуры проектирования.
“Как TL431 работает в режиме регулирования?” Проверьте мое описание выше.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

, когда Vo>12, что означает, что напряжение на Rb выше 2,5 В, ток через TL431 становится небольшим, а напряжение Vcomp становится большим.

Нет, это неправильно. Когда Vo поднимается выше номинальной уставки, напряжение на Rb тоже возрастает, что приводит к включению TL431 и пропусканию тока через светодиод в оптопаре.

Это приводит к включению фототранзистора и снижению Vcomp. Это, естественно, приведет к снижению рабочего цикла ШИМ и восстановит Vo до 12 вольт. Это контур управления, который саморегулируется в зависимости от соотношения резисторов Ra и Rb, создавая 2,5 вольта на входном контакте TL431.

Как рассчитать значение Rc3 в худшем случае

Вы выбираете Rc, так что, если TL431 сильно включен (т. е. имеет 0 вольт на нем), ток в светодиоде ограничивается значением, которое не повредит светодиод.

_{При нормальных рабочих условиях напряжение между катодом и анодом TL431 вряд ли будет намного ниже пары вольт, но для выбора Rc следует исходить из того, что напряжение TL431 может составлять 0 вольт (в конце концов, оно может в некоторых сценариях обратной связи должен быть конденсатор, поэтому ради пары вольт вы должны предположить, что в худшем случае это нулевое напряжение, поэтому Rc выбран так, чтобы НЕ подавать слишком большой ток на оптосветодиод.)}

Как узнать выходное напряжение TL431.

Вам не обязательно его знать — это будет напряжение, при котором через светодиод протекает ток, необходимый для поддержания рабочего цикла на нужном уровне, чтобы поддерживать выходное напряжение на требуемом заданном уровне.

Как TL431 может выполнять отрицательную обратную связь.

Отрицательная обратная связь исходит от Ra и Rb.

Последние новости туризма на сегодня 2022

Отдых и Туризм — Новости туризма 2022

Правильное питание

Общество

Cпорт отдых туризм

Бизнес

Спорт