一種基于TL431 的浪涌防護設計與實現

劉 力，李 川，王洋洋，劉少龍，劉濤瑜

（中國航空工業集團公司西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068）

0 引 言

隨著科技的進步與發展，各種集成式電子設備在人們的生活中已隨處可見，電子產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品。隨著電子產品的不斷應用，人們對這些電子產品的質量問題也越發關注。眾所周知，電子產品在使用過程中難免會遇到意外的電壓瞬變和浪涌電壓，導致電子產品的壽命及性能大幅度下降，甚至直接損壞電子設備。據統計，電子產品的故障有75%是由電壓瞬變和浪涌電壓造成[1-3]。為了提高電子產品的穩定性，電路設計時必須對電源電路進行保護設計。目前，常用的電源保護電路是采用功能模塊級聯實現尖峰抑制或過壓保護，最常見的浪涌過壓保護方案是采用瞬態電壓抑制二極管（Transient Voltage Suppressor，TVS）[4-9]。由于TVS 管的動態導通阻抗特點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方法，該方法結構簡單，過壓浪涌響應速度快，具有極高的實際應用價值。

1 可控精密穩壓源TL431 介紹

可控精密穩壓源TL431是美國德州儀器公司（TI）生產的一種三端可調并聯穩壓集成電路，對外包含3個引腳，分別為陰極（CATHODE）、陽極（ANODE）和參考端（REF），輸出調節范圍為2.5 ～36 V，內部由一個電壓比較器、一個輸出開關管和一個精密基準電壓源組成，基準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精準的比較電壓，基準穩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

可控精密穩壓源TL431 的工作機理為當參考端電壓低于基準源Uref時，比較器發低電平，三極管不導通，輸入電壓Uin等于輸出電壓Uout。當輸入電壓Uin過高時，參考端電壓高于基準源Uref，比較器發高電平，三極管導通使TL431 的陰極管腳拉地，輸出電壓迅速降低。根據反饋可知，參考端電壓也將降低，當參考端電壓低于基準源Uref時，比較器又重新發低電平，三極管關斷從而使輸出電壓變高。根據這個原理可以通過調節R1和R2的阻值，得到想要的輸出電壓值。其輸出表達式為

此時，需要注意流過陰極的電流應在1 ～100 mA范圍內，在使用TL431 時往往需要加限流電阻R3，其阻值大小計算公式為

輸出電壓不得大于36 V，否則有可能會損壞元器件。

2 電路設計框圖及防護原理介紹

2.1 電路設計框圖

提出的電路設計基本框圖如圖2 所示，其主要組成部分包括輸入濾波電路、輔助電源電路、過壓浪涌防護電路以及功率變換電路。整流濾波電路能夠濾除直流輸入中夾雜的交流信號，保證電源的輸入質量。輔助電源電路為驅動電路、控制電路提供穩定的低壓電源，也可為電路提供精準的參考電平。過壓浪涌防護電路為電路提供輸入保護，防止后級電路受到損害。功率變換電路是為滿足不同供電設備要求所進行的電壓和功率轉換電路。防護電路利用TL431 的特點進行設計，輸出反饋接TL431 的參考端，電路開關使能接TL431的陰極。當檢測到輸出電壓過大時，TL431 的參考端電壓過高從而使其陰極擊穿，關斷電路的輸出通道，起到浪涌防護效果。

圖2 電路設計基本框圖

2.2 防護原理介紹

根據圖2 的電路設計基本框圖設計過壓浪涌防護電路（見圖3）。該電路中的電容C1、C2為儲能濾波電容，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 開關管，Q2為穩壓二極管，用以防止因MOSFET 開關管的柵源極壓差過大從而損壞開關管，Q3為三極管，D1為TL431 精密穩壓源。浪涌防護電路的工作原理為當輸入電壓在正常范圍內時，輔助電源電壓UCC使三極管Q3導通，此時MOSFET 開關管Q1的柵極電壓因分壓電阻R1和R2的分壓小于源極電壓，達到P 型MOSFET 的導通條件，Q1導通，Uout有輸出，電路正常工作。當出現瞬態電壓浪涌時，Uout瞬間變大，此時精密穩壓源TL431 的參考端電壓也迅速變大，當參考端電壓Uref大于TL431 內部的基準穩壓源電壓時，TL431 的陰極拉地使輔助電源電壓UCC變為0 V，Q3關斷，此時MOSFET 開關管Q1的柵極電壓等于源極電壓，Q1關斷，電路不導通從而使Uout迅速變小，避免后級電路受到浪涌電壓的損害。當輸出電壓Uout降低并使精密穩壓源TL431 的參考端電壓Uref小于TL431 內部的基準穩壓源電壓時，Q3導通并使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，從而維持在所設定的電壓值附近。

圖3 浪涌防護電路

3 電路仿真

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

圖4 仿真結果

4 試驗驗證

文章提出的浪涌防護電路在電源模塊中進行實際應用，設置的浪涌防護電壓為32 V，現對其浪涌防護效果進行實測，測試設備包括1 臺直流電源（串聯模式下可輸出64 V），1 臺四通道示波器，2 只電壓探頭。為了驗證該設計在出現浪涌電壓時電路的防護效果，設置直流源輸出電壓為48 V，模擬出現過壓浪涌時的情況，示波器的周期為100 ms，每格電壓幅度為20 V，并用2 個探頭分別對其浪涌防護電路的輸入和輸出電壓進行檢測，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設的48 V，隨后快速下降，同時輸出電壓慢慢上升，這是因為電路導通瞬間電路輸出端的儲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，輸入電壓上升并穩定在了48 V，輸出電壓在上升至32 V 時不再上升，穩定保持在32 V。通過實際測量表明該設計具有良好的過壓浪涌防護效果。

圖5 實測電壓波形

5 結 論

文章提出了一種基于TL431 的高精度浪涌防護設計。該設計結構簡單，成本低廉，響應速度快。通過對其原理進行分析說明，并對電路進行仿真驗證，表明該設計具有良好的浪涌防護效果。最后在實際電路中對該設計進行應用，通過實測驗證了該設計的可行性，為以后的電源防護設計提供了一種良好的防護設計方案。