TL431

TL431
Аналоговая интегральная схема
Внешний вид, припаян на печатной плате
Условное графическое обозначение и функциональная блок-схема[⇨]
Тип	Прецизионный параллельный стабилизатор напряжения
Год разработки	1977
Разработчик	Texas Instruments

TL431 — интегральная схема (ИС) трёхвыводного регулируемого параллельного стабилизатора напряжения с улучшенной температурной стабильностью. С внешним делителем TL431 способна стабилизировать напряжения от 2,5 до 36 В при токах до 100 мА. Типичное отклонение фактической величины опорного напряжения^[⇨] от паспортного значения измеряется единицами мВ, предельно допустимое отклонение составляет несколько десятков мВ^[⇨]. Микросхема хорошо подходит для управления мощными транзисторами; её применение в связке с низковольтными МДП-транзисторами позволяет создавать экономичные линейные стабилизаторы с особо низким падением напряжения^[⇨]. В схемотехнике импульсных преобразователей напряжения TL431 — фактический отраслевой стандарт усилителя ошибки стабилизаторов с оптронной развязкой входных и выходных цепей^[⇨].

TL431 впервые появилась в каталогах Texas Instruments в 1977 году^[1][2]. В XXI веке TL431 и её функциональные аналоги выпускаются множеством производителей в различных вариантах (TL432, ATL431, KA431, LM431, TS431, 142ЕН19 и другие), различающихся топологиями кристаллов, точностными и частотными характеристиками, минимальными рабочими токами и областями безопасной работы^[⇨].

TL431 — трёхвыводной пороговый элемент, построенный на биполярных транзисторах, — своего рода аналог идеального транзистора с порогом переключения ≈2,5 В. «База», «коллектор» и «эмиттер» TL431 традиционно именуются соответственно управляющим входом (R), катодом (C) и анодом (A). Положительное управляющее напряжение U_ref прикладывается между управляющим входом и анодом, а выходным сигналом служит ток катод-анод I_KA^[3].

Функционально, на уровне абстракции, TL431 содержит источник опорного напряжения ≈2,5 В и операционный усилитель, сравнивающий напряжение на управляющем входе U_ref с опорным^[4]. Физически обе функции плотно, неразрывно интегрированы во входных каскадах TL431. Виртуальный опорный уровень ≈2,5 В не вырабатывается ни в одной точке схемы: действительным источником опорного напряжения служит бандгап Видлара на транзисторах Т3, Т4 и Т5, вырабатывающий напряжение ≈1,2 В и оптимизированный для работы в связке с эмиттерными повторителями Т1 и T6^[5]. Дифференциальный усилитель образуют два встречно включённых источника тока на транзисторах T8 и T9: положительная разница между токами коллекторов T8 и T9, ответвляющаяся в базу T10, управляет выходным каскадом^[6]. Выходной каскад TL431, непосредственно управляющий током нагрузки, — транзистор Дарлингтона npn-структуры с открытым коллектором, защищённый обратным диодом. Каких-либо средств защиты от перегрева или перегрузки по току не предусмотрено^[6][7].

Принципиальная схема. Напряжения на внутренних узлах указаны для режима стабилизации при U_КA=7 В^[6]

Зависимость тока катода от управляющего напряжения в области порога переключения^[8]

Если U_ref не превышает порога переключения, то выходной каскад закрыт, а управляющие им каскады потребляют в покое ток типичной величиной 100…200 мкА. С приближением U_ref к порогу переключения ток, потребляемый управляющими каскадами, достигает величины порядка 300…500 мкА, при этом выходной каскад остаётся закрытым. После превышения порога выходной каскад плавно открывается, I_KA нарастает с крутизной примерно 30 мА/В^[9]. Когда U_ref превысит порог примерно на 3 мВ, а I_KA достигнет примерно 500…600 мкА, крутизна скачкообразно возрастает до примерно 1 А/В^[9]. С достижением номинальной крутизны, типичное значение которой составляет 1…1,4 А/В, схема выходит на режим стабилизации^[9], в котором ведёт себя подобно классическому преобразователю дифференциального напряжения в ток^[10]. Рост тока прекращается тогда, когда управляющее напряжение стабилизируется действием петли отрицательной обратной связи, включённой между катодом и управляющим входом^[8][11]. Установившееся при этом значение U_ref≈2,5 В и называется опорным (U_REF)^[11]. В менее распространённом релейном режиме (режиме компаратора) петля ООС отсутствует, а ток катода ограничен лишь характеристиками источника питания и нагрузки^[7].

Стабилизаторы на TL431 проектируются таким образом, чтобы микросхема всегда работала в активном режиме с высокой крутизной; для этого I_KA не должен опускаться ниже 1 мА^[3][8][12]. С точки зрения устойчивости петли управления может оказаться целесообразным увеличить минимальный ток ещё больше, до 5 мА^[13], но на практике это противоречит требованиям к экономичности стабилизатора^[8]. Втекающий ток управляющего входа I_ref во всех режимах примерно постоянен, его типичная величина составляет 2 мкА. Производитель рекомендует проектировать входную цепь TL431 таким образом, чтобы гарантировать I_ref не менее 4 мкА; эксплуатация микросхемы с «висящим» управляющим входом не допускается^[14][7]. Обрыв или замыкание на землю любого из выводов, а также короткое замыкание любых двух выводов не способны разрушить TL431, но делают устройство в целом неработоспособным^[15].

Паспортная величина опорного напряжения U_REF=2,495 В определяется и тестируется заводом-изготовителем при токе катода 10 мА, замыкании управляющего входа на катод и температуре окружающей среды +25 °C^[14][17]. Порог переключения (точка В на передаточной характеристике) и порог перехода в режим высокой крутизны (точка С) не нормируются^[9]. Фактическое опорное напряжение, которое устанавливает конкретный экземпляр TL431 в конкретной схеме, может быть и больше, и меньше паспортного, в зависимости от четырёх факторов:

• Технологический разброс. Допустимый разброс U_REF при нормальных условиях составляет для различных серий TL431 не более ±0,5 %, не более ±1 % или не более ±2 %^[3];
• Температурный дрейф. Зависимость опорного напряжения бандгапа от температуры имеет форму плавного горба. Если характеристики конкретной микросхемы точно соответствуют конструкторскому расчёту, то вершина горба наблюдается при температуре около +25°С, а U_REF при нормальных условиях точно равно 2,495 В; выше и ниже отметки +25°С U_REF плавно снижается на несколько мВ. Для микросхем с заметным отклонением характеристик от расчётных горб сдвигается в области высоких или низких температур, а сама зависимость может принимать монотонно спадающий или монотонно возрастающий характер. Отклонение фактического U_REF от паспортных 2,495 В во всех случаях не превышает нескольких десятков мВ^[18][16];
• Влияние напряжения анод-катод (U_KA). С ростом U_KA опорное напряжение TL431, необходимое для поддержания фиксированного тока катода, снижается с типичной скоростью в 1,4 мВ/В (но не более 2,7 мВ/В)^[17]. Величина, обратная этому показателю, — примерно 300…1000 (50…60 дБ) — есть верхний предел коэффициента усиления напряжения в области низких частот^[19];
• Влияние тока катода. С ростом тока катода, при прочих равных условиях, U_REF возрастает со скоростью примерно 0,5…1 мВ/мА, что соответствует крутизне преобразования в 1…2 А/В^[10][9].

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) TL431, скомпенсированная встроенной миллеровской ёмкостью выходного каскада^[7], в первом приближении описывается уравнением фильтра нижних частот первого порядка; простейшая частотно-зависимая модель схемы состоит из идеального преобразователя напряжения в ток, выход которого зашунтирован ёмкостью в 70 нФ^[19]. При работе на типичную резистивную нагрузку сопротивлением 230 Ом спад АЧХ стандартной TL431 начинается на отметке 10 кГц^[19], а расчётная частота единичного усиления, не зависящая от сопротивления нагрузки, составляет около 2 МГц^[20]. Из-за явлений второго порядка АЧХ в области высших частот спадает быстрее, чем предсказывает модель, поэтому реальная частота единичного усиления составляет всего 1 МГц; на практике это различие не имеет значения^[20].

Скорости нарастания и спада I_KA, U_KA и время установления U_REF не нормируются. По данным Texas Instruments, при включении питания U_KA быстро возрастает до ≈2 В и, временно, примерно на 1 мкс, останавливается на этом уровне. Затем в течение примерно 0,5…1 мкс происходит заряд встроенной ёмкости, и на катоде устанавливается постоянное стабилизированное U_KA^[21].

Шунтирование анода и катода TL431 ёмкостью может приводить к самовозбуждению^[22]. При малых (не более 1 нФ) и при больших (свыше 10 мкФ) ёмкостях TL431 устойчива; в области 1 нФ…10 мкФ самовозбуждение вероятно^[23][24]. Ширина области неустойчивости зависит от сочетания I_KA и U_KA. Наихудшим с точки зрения устойчивости является сочетание малых токов и малых напряжений; напротив, при больших токах и напряжениях, когда рассеиваемая микросхемой мощность приближается к предельной величине, TL431 становится абсолютно устойчивой^[24]. Однако даже стабилизатор относительно высокого напряжения может самовозбуждаться при включении, когда напряжение на катоде ещё не поднялось до штатного уровня^[23].

Публикуемые в технической документации графики граничных условий устойчивости^[14] являются, по признанию самой Texas Instruments, неоправданно оптимистичными^[24]. Они описывают «типичную» микросхему при нулевом запасе по фазе^[англ.], тогда как на практике следует ориентироваться на запас по фазе не менее 30°^[24]. Для подавления самовозбуждения обычно достаточно включить между анодом TL431 и ёмкостью нагрузки «антизвонное» сопротивление в 1…1000 Ом; его минимальная величина определяется сочетанием ёмкости нагрузки, I_KA и U_KA^[25].

В простейшей схеме параллельного стабилизатора напряжения управляющий вход TL431 замыкается на катод, что превращает микросхему в функциональный аналог стабилитрона с фиксированным опорным напряжением ≈2,5 В. Типичное внутреннее сопротивление такого «стабилитрона» на частотах до 100 кГц составляет примерно 0,2 Ом; в диапазоне частот 100 кГц…10 МГц оно монотонно возрастает до примерно 10 Ом^[26]. Для стабилизации бо́льших напряжений управляющий вход TL431 подключается к резистивному делителю R2R1, включённому между катодом и анодом. Стабилизируемое напряжение анод-катод и внутреннее сопротивление такого «стабилитрона» возрастают в ${\displaystyle (1+R2/R1)}$ раз^[27]. Предельно допустимое напряжение стабилизации не должно превышать +36 В, предельно допустимое напряжение на катоде ограничено +37 В^[28]. Изначально именно это включение TL431 было основным: микросхема позиционировалась на рынке как экономичная альтернатива дорогим прецизионным стабилитронам^[29].

Дополнение схемы параллельного стабилизатора эмиттерным повторителем, включённым в петлю обратной связи, превращает её в последовательный стабилизатор. Обычные или составные транзисторы npn-структуры, используемые в качестве проходных вентилей, работоспособны лишь при достаточно высоком падении напряжения между входом и выходом, что снижает коэффициент полезного действия стабилизатора^[30]. Проходные транзисторы pnp-структуры в режиме насыщения работоспособны при напряжениях коллектор-эмиттер до ≈0,25 В, но при этом требуют высоких управляющих токов, что вынуждает использовать составные транзисторы с минимальным падением напряжения 1 В и выше^[30]. Наименьшее падение напряжения достигается при использовании мощных МДП-транзисторов^[30]. Стабилизаторы с истоковыми повторителями схемотехнически просты, устойчивы, экономичны, но требуют дополнительного источника питания затворов МДП-транзисторов (ΔU на иллюстрации)^[30].

Типичное включение TL431 в импульсном стабилизаторе напряжения^[31][32]

Прецизионные источник^[33] и ограничитель^[34] тока

TL431, нагруженная на светодиод оптрона, — фактический отраслевой стандарт усилителя ошибки в бытовых импульсных преобразователях напряжения^[10][12][11]. Более того, выпускаются комбинированные микросхемы, представляющие собой транзисторный оптрон и кристалл, аналогичный TL431, в одном корпусе^[35]. Делитель напряжения R1R2, задающий напряжение на управляющем входе TL431, и катод светодиода подключаются к выходу преобразователя, а фототранзистор оптрона — к управляющему входу ШИМ-контроллера его первичной цепи. Для того, чтобы минимальный ток катода TL431 не опускался ниже 1 мА, светодиод оптрона шунтируют резистором R3 величиной порядка 1 кОм^[8][36]. Например, в типичном импульсном блоке питания ноутбука, по данным 2012 года, средний I_KA равен 1,5 мА, из которых 0,5 мА протекают через светодиод, а 1 мА — через шунт^[8].

Проектирование эффективных, но устойчивых цепей частотной компенсации таких стабилизаторов — непростая задача^[37]. В простейшей конфигурации компенсация возлагается на интегрирующую цепь C1R4^[37]. Помимо этой цепи, выходного сглаживающего фильтра преобразователя и самой микросхемы, в схеме неявно присутствует ещё одно частотнозависимое звено, с частотой среза порядка 10 кГц — выходная ёмкость фототранзистора в связке с сопротивлением его коллекторной нагрузки^[38]. При этом через микросхему одновременно замыкаются две петли обратной связи: основная, медленная петля замыкается через делитель на управляющий вход TL431; побочная, быстрая (англ. fast lane) замыкается через светодиод на катод TL431^[39]. Быструю петлю можно разорвать, например, зафиксировав напряжение на катоде светодиода стабилитроном^[40] или подключив катод светодиода к отдельному фильтру^[41].

Простейшая схема компаратора на TL431 требует единственного резистора, ограничивающего предельный ток катода на рекомендованном уровне 5 мА^[42]. Меньшие значения возможны, но нежелательны из-за затягивания времени переключения из открытого (логический ноль) в закрытое (логическая единица) состояние^[42]. Время переключения из закрытого в открытое состояние зависит от величины превышения U_ref над порогом переключения: чем больше превышение, тем быстрее срабатывает компаратор. Оптимальная скорость переключения достигается при десятипроцентном превышении, при этом выходное сопротивление источника сигнала не должно превышать 10 кОм^[42]. В полностью открытом состоянии U_KA опускается до 2 В, что согласуется с уровнями ТТЛ и КМОП при напряжениях питания 5 В и выше^[43]. Для согласования TL431 с низковольтной КМОП-логикой необходимо использовать внешний делитель напряжения^[43] или заменить TL431 на микросхему-аналог с меньшим порогом переключения, например TLV431^[44][⇨].

Компараторы и логические инверторы на TL431 легко стыкуются между собой по принципам релейной логики. Например, в приведённой схеме монитора напряжения выходной каскад открывается, а выходной сигнал принимает значение логического нуля тогда, и только тогда, когда входное напряжение U_BX укладывается в интервал

${\displaystyle U_{REF}(1+R3/R4)<U_{BX}<U_{REF}(1+R1/R2)}$^[45].

Схема работоспособна, если условие ${\displaystyle R1/R2>R3/R4}$ выполняется с достаточным запасом^[45].

В радиолюбительской прессе неоднократно публиковались конструкции усилителей напряжения низкой частоты на TL431 — как правило, неудачные^[46]. Стремясь подавить нелинейность микросхемы, конструкторы увеличивали глубину обратной связи и тем самым снижали коэффициент усиления до нецелесообразно низких значений^[46]. Стабилизация режима работы усилителей на TL431 также оказалась непростой задачей^[46].

Склонность TL431 к самовозбуждению можно использовать для построения генератора, управляемого напряжением на частоты от нескольких кГц до 1,5 МГц^[47]. Частотный диапазон такого генератора и характер зависимости частоты от управляющего напряжения сильно зависят от используемой серии TL431: одноимённые микросхемы разных производителей в этом недокументированном режиме не взаимозаменяемы^[47]. Пара TL431 может быть использована и в схеме астабильного мультивибратора на частоты от долей Гц до примерно 50 кГц^[48]. В этой схеме TL431 также работают в недокументированном режиме: токи заряда времязадающих ёмкостей протекают через диоды, защищающие управляющие входы (T2 на принципиальной схеме)^[48].

Микросхемы различных производителей, выпускаемые под именем TL431 или под близкими к нему именами (KA431, TS431 и т. п.), могут существенно отличаться от оригинальной TL431 производства Texas Instruments. Иногда различия вскрываются лишь опытным путём, при испытаниях ИС в недокументированных режимах^[47]; иногда они явно декларируются в документации производителей. Так, TL431 производства Vishay отличается аномально высоким, порядка 75 дБ, коэффициентом усиления напряжения на низких частотах^[19]. Спад коэффициента усиления этой ИС начинается на отметке 100 Гц^[19]. В диапазоне частот свыше 10 кГц частотная характеристика TL431 Vishay приближается к стандарту; частота единичного усиления, около 1 МГц, совпадает со стандартной^[19]. Микросхема ШИМ-контроллера SG6105 содержит два независимых стабилизатора, заявленные как точные аналоги TL431, но их предельно допустимые I_KA и U_KA составляют лишь 16 В и 30 мА; точностные характеристики этих стабилизаторов заводом-изготовителем не тестируются^[49].

Микросхема TL430 — исторический функциональный аналог TL431 с опорным напряжением 2,75 В и предельно допустимым током катода 150 мА, выпускавшийся Texas Instruments только в корпусе для монтажа в отверстия^[50]. Встроенный бандгап TL430, в отличие от одновременно выпущенной TL431, не был скомпенсирован по температуре и был менее точен; в выходном каскаде TL430 не было защитного диода^[51]. Выпускаемая в XXI веке микросхема TL432 представляет собой обычные кристаллы TL431, упакованные в корпуса для поверхностного монтажа с нестандартной цоколёвкой^[52].

В 2015 году Texas Instruments анонсировала выпуск ATL431 — функционального аналога TL431, оптимизированного для работы в экономичных импульсных стабилизаторах^[53]. Рекомендованный минимальный ток катода ATL431 составляет всего 35 мкА против 1 мА у стандартной TL431 при тех же предельных значениях тока катода (100 мА) и напряжения анод-катод (36 В)^[54]. Частота единичного усиления сдвинута вниз, до 250 кГц, чтобы подавить усиление высокочастотных помех^[54]. Совершенно иной вид имеют и графики граничных условий устойчивости: при малых токах и напряжении анод-катод 15 В схема абсолютно устойчива при любых значениях ёмкости нагрузки — при условии использования высококачественных малоиндуктивных конденсаторов^[55][56]. Минимальное рекомендованное сопротивление «антизвонного» резистора — 250 Ом против 1 Ом у стандартной TL431^[57].

Помимо микросхем семейства TL431, по состоянию на 2015 год широко применялись всего лишь две интегральные схемы параллельных стабилизаторов, имеющие принципиально иную схемотехнику, опорные уровни и предельные эксплуатационные характеристики^[58]:

• Биполярная ИС LMV431 производства Texas Instruments имеет опорное напряжение 1,24 В и способна стабилизировать напряжения до 30 В при токе катода от 80 мкА до 30 мА^[59][60];
• Низковольтная КМОП-микросхема NCP100 производства On Semiconductor имеет опорное напряжение 0,7 В и способна стабилизировать напряжения до 6 В при токе катода от 100 мкА до 20 мА^[61][62].

Схемотехника устройств на LMV431 и NCP100 аналогична схемотехнике устройств на TL431^[58].

Микросхема AP4313 ^[63] в 6-выводном корпусе SOT23, кроме аналога TL431 с опорным напряжением 1.21В, содержит также усилитель сигнала внешнего токового шунта, включенного в цепь общего провода, с пониженным опорным напряжением (200мВ). Выходы ОУ тока и напряжения объединены внутри микросхемы и управляют одним внешним регулирующим элементом или оптопарой. Сравнительно низкое опорное напряжение ОУ тока уменьшает необходимое падение напряжения на шунте и рассеиваемую на нём мощность. Микросхема удобна для построения зарядных устройств CC/CV и других схем со стабилизацией и напряжения, и максимального отдаваемого тока. Требует подключения к шине питания (+2.5...18В, 0.6мА), максимальный ток выхода 25-50мА в зависимости от напряжения питания.

• Интегральные микросхемы. Микросхемы для линейных источников питания и их применение. — М.: Додэка, 1996. — ISBN 5878350211.
• Basso C. Chapter 7. TL431-based Compensators // Designing Control Loops for Linear and Switching Power Supplies. — Artech House, 2012. — P. 383—454. — ISBN 9781608075577.
• Brown M. Power Supply Cookbook. — Newnes. — 2001. — (EDN Series for Design Engineers). — ISBN 9780080480121.
• Camenzind H. Designing Analog Circuits. — Virtualbookworm Publishing, 2005. — 244 p. — ISBN 9781589397187. Архивная копия от 10 марта 2018 на Wayback Machine
• Leverette A. Designing with the "Advanced" TL431, ATL431 (англ.) // Texas Instruments Application Report. — 2015. — June (no. SLVA685). — P. 1—7.
• Michallick R. Understanding Stability Boundary Conditions Charts in TL431, TL432 Data Sheet (англ.) // Texas Instruments Application Report. — 2014. — January (no. SLVA482A). — P. 1—6.
• Ridley, R. (2005). "Designing with the TL431 - the first complete analysis". Switching Power Magazine (August 1): 1—5.
• Ridley R. Using the TL431 in a Power Supply (англ.) // Power Systems Design Europe. — 2007. — June. — P. 16—18.
• Ridley R. Designing with the TL431 - the first complete analysis (англ.) // Switching Power Magazine. — 2008. — 1 August. — P. 1—5.
• Rivera-Matos R. and Than E. Using the TL431 as a Voltage Comparator (англ.) // Texas Instruments Application Report. — 2018. — January (no. SLVA987). — P. 1—4. Архивировано 2 ноября 2018 года.
• Schönberger J. Design of a TL431-Based Controller for a Flyback Converter. — Plexim GMBH, 2012.
• Tepsa T., Suntio T. Adjustable Shunt Regulator Based Control Systems // IEEE Power Electronics Letters. — 2013. — Vol. 1. — P. 93—96.
• Linear and Interface Circuit Application. Volume I: Amplifiers, Comparators, Timers, Voltage Regulators / Ed. D. E. Pippinger and E. J. Tobaben. — Texas Instruments, 1985.
• TL43xx Precision Programmable Reference (англ.) // Texas Instruments Datasheet. — 2015. — January (no. SLVS543O).
• ATL431, ATL432 2.5-V Low Iq Adjustable Precision Shunt Regulator (англ.) // Texas Instruments Datasheet. — 2016. — October (no. SLVSCV5D).
• Zhanyou Sha et al. Optimal Design of Switching Power Supply. — Wiley, 2015. — ISBN 9781118790946.