全新角度：关于TL431 工作方式的另一种理解
本文从一个全新的角度对TL431 的工作原理进行了非常详细的分析，为大家提供了另一种思路，从侧面帮助大家多进行思考，从不同的角度来观察问题。
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。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：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：TL431 常用稳压电路对于如图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。
