TL431這顆三端可調(diào)基準(zhǔn)電源工程師手里基本都備著貨。平時(shí)拿它做2.5V基準(zhǔn)、配合光耦做開關(guān)電源反饋、當(dāng)比較器用都是常規(guī)操作。但一提到負(fù)壓電路很多人第一反應(yīng)是“用負(fù)壓LDO”或者“用運(yùn)放反相”根本沒想過TL431也能在負(fù)壓域里干活。我最初也是踩了兩次坑之后才反應(yīng)過來——TL431本質(zhì)上是一只“比較器驅(qū)動(dòng)管”它壓根不在乎你的參考地在哪里只要陰極-陽極之間有足夠的電壓和電流它就能把R端電壓鉗到一個(gè)固定基準(zhǔn)上。這個(gè)特性放到負(fù)壓電路里能做的事情遠(yuǎn)比想象的要多。這篇文章我打算從三個(gè)實(shí)戰(zhàn)技巧展開高精度負(fù)基準(zhǔn)源、負(fù)壓線性穩(wěn)壓器、配合光耦做隔離反饋也就是開關(guān)電源輔助繞組里最常見的TL431光耦反饋拓?fù)洹Ｗ詈髥为?dú)聊聊功耗優(yōu)化畢竟負(fù)壓電路一般用在輔助電源、運(yùn)放供電、傳感器偏置這些場(chǎng)景功耗摳得越細(xì)待機(jī)表現(xiàn)越好看。適合電源工程師、硬件開發(fā)者和做低功耗設(shè)備的同學(xué)參考文章里給的電阻計(jì)算過程都是可以直接抄作業(yè)的。1. TL431在負(fù)壓域的底層邏輯為什么它不只是“正壓基準(zhǔn)”1.1 從內(nèi)部框圖看TL431的“參考地”無關(guān)性TL431內(nèi)部就三樣?xùn)|西一個(gè)2.495V的帶隙基準(zhǔn)、一個(gè)比較器、一個(gè)NPN型驅(qū)動(dòng)管。外部只有三個(gè)引腳陰極、陽極、參考端R。比較器同相端接基準(zhǔn)反相端接R比較器輸出驅(qū)動(dòng)NPN管基極NPN管集電極接到陰極、發(fā)射極接到陽極。正常工作時(shí)TL431會(huì)不斷調(diào)節(jié)陰極電流讓R端電壓穩(wěn)定在2.495V注意是相對(duì)陽極的2.495V。這個(gè)閉環(huán)關(guān)系才是TL431唯一的核心約束。大家習(xí)慣的正壓接法是陽極接地、陰極通過電阻接正電源然后R端分壓。這里“地”其實(shí)只是一個(gè)參考電位TL431真正比較的是R端對(duì)陽極的電位差。你把陽極接到-5V、陰極接到0V、R端用電阻分壓把-5V映射到-2.5V它照樣工作。換句話說TL431在負(fù)壓電路里不是“翻著用”而是你對(duì)參考電位的理解要從“地”換成“陽極”。想明白這一點(diǎn)所有負(fù)壓拓?fù)涠寄軓恼龎悍桨咐飳?duì)稱推導(dǎo)出來。負(fù)壓應(yīng)用中還要注意一個(gè)硬性條件陰極-陽極之間的電壓VKA必須大于2.5VTL431的基準(zhǔn)才能建立起來。比如陽極接-3V、陰極最高也就到0V附近VKA只有3V雖然能工作但調(diào)整余量非常窄如果陽極接到-1VVKA不夠2.5V整個(gè)電路直接不啟動(dòng)。所以負(fù)壓幅值低于2.5V的應(yīng)用基本告別TL431可以考慮TLV431Vref1.24V這個(gè)后面功耗部分會(huì)再展開。1.2 負(fù)壓基準(zhǔn)的計(jì)算公式和正壓是鏡像關(guān)系正壓標(biāo)準(zhǔn)公式大家很熟Vout Vref * (1 R1 / R2)。負(fù)壓用法其實(shí)是同一套公式的鏡像關(guān)鍵是分清兩個(gè)分壓電阻各自接在哪。我以負(fù)基準(zhǔn)源為例電路拓?fù)涫沁@樣TL431陽極接負(fù)輸出VN陰極經(jīng)電阻Rc接到GNDR端分壓網(wǎng)絡(luò)由R1和R2組成R1從GND接到R端R2從R端接到負(fù)輸出VN。因?yàn)镽端被鉗位在陽極Vref陽極是負(fù)壓所以R端電位VR VN Vref。忽略參考端輸入電流Iref對(duì)R節(jié)點(diǎn)列KCL從GND經(jīng)R1流入R端的電流是 (0 - VR) / R1 Vref / R1 從R端經(jīng)R2流向VN的電流是 (VR - VN) / R2 Vref / R2兩股電流相等得到R1 R2再結(jié)合電壓關(guān)系VN -Vref * (1 R1 / R2)就是負(fù)壓輸出。這個(gè)推導(dǎo)看起來和正壓一樣但物理方向完全不同正壓方案里R端電位比GND高負(fù)壓方案里R端電位比GND低反饋方向是反的。如果你照搬正壓的PCB布局只把電阻順序換一下很容易搞錯(cuò)我見過不下五次有人把R1和R2位置接反結(jié)果輸出直接掉到0V。2. 實(shí)戰(zhàn)技巧一用TL431直接搭高精度負(fù)基準(zhǔn)源2.1 為什么不去用“運(yùn)放反相正基準(zhǔn)”很多人做負(fù)基準(zhǔn)第一反應(yīng)是TL431做個(gè)2.5V基準(zhǔn)再用運(yùn)放反相成-2.5V。這個(gè)方案能工作但有一個(gè)隱藏問題運(yùn)放的Vos、輸入偏置電流和溫漂都會(huì)被直接串到輸出上。TL431自身溫漂大約是幾十ppm/℃量級(jí)運(yùn)放再疊加一下整個(gè)負(fù)基準(zhǔn)的精度就很難看了。而且運(yùn)放需要額外的供電軌、去耦電容在小板子上成本和面積都吃虧。直接用TL431在負(fù)壓域產(chǎn)生負(fù)基準(zhǔn)省掉運(yùn)放參考精度完全由TL431本身的2.495V基準(zhǔn)決定這是個(gè)很干凈的做法。它本質(zhì)上是并聯(lián)穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)TL431作為分流元件維持節(jié)點(diǎn)電壓外部負(fù)載可以通過一個(gè)緩沖器或者高阻網(wǎng)絡(luò)接到這個(gè)節(jié)點(diǎn)上。如果負(fù)載電流變動(dòng)不大甚至可以直接用。2.2 電路搭建與電阻阻值計(jì)算以產(chǎn)生-5V負(fù)基準(zhǔn)為例完整參數(shù)如下陽極接輸出節(jié)點(diǎn)VN目標(biāo)VN -5.0VR1GND到R端 10kΩR2R端到VN 10kΩ代入公式 |VN| 2.495 * (1 10k / 10k) 4.99V基本滿足5V需求如果需要精確5.000V按比例關(guān)系 R1 / R2 5.000 / 2.495 - 1 1.004E96系列可取R110kΩ、R29.96kΩ或用R1100kΩ、R299.6kΩ陰極電阻Rc取值TL431數(shù)據(jù)手冊(cè)保證的最小陰極電流是1mA工程上建議留到2mA以上。Rc一端接GND一端接陰極VK大致在-2.5V到-1.5V區(qū)間所以Rc取1kΩ到2.2kΩ都能讓陰極電流落在1.5mA到2.5mA。我習(xí)慣先放1.5kΩ實(shí)測(cè)電流大約2mA功耗約6mW各方面都比較均衡。這里要特別提醒TL431陰極電流有上限100mA但作為基準(zhǔn)源不建議讓陰極承擔(dān)大電流。負(fù)基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)如果要給后級(jí)運(yùn)放供電、給ADC偏置供電正確的做法是后面接一個(gè)高輸入阻抗的緩沖器而不是直接從TL431節(jié)點(diǎn)拉電流。否則負(fù)載變化會(huì)直接反映到基準(zhǔn)電壓上雖然并聯(lián)穩(wěn)壓器有一定調(diào)整能力但調(diào)整范圍和瞬態(tài)響應(yīng)都有限。2.3 實(shí)測(cè)表現(xiàn)與細(xì)節(jié)調(diào)整我實(shí)際搭過一版-5V基準(zhǔn)TL431用的TI的TL431B檔Vref精度±0.5%?？蛰d實(shí)測(cè)輸出4.99V用6位半臺(tái)表看24小時(shí)漂移很小主要受環(huán)境溫度影響。紋波方面在VN和GND之間加了一個(gè)10μF的X7R陶瓷電容高頻噪聲明顯下降。但要注意低ESR陶瓷電容在某些TL431工作點(diǎn)上可能引發(fā)自激表現(xiàn)為輸出上疊加幾百kHz的振蕩。解決方法是電容串一個(gè)0.5Ω到1Ω的電阻或者直接換鉭電容。關(guān)于溫漂還有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)R1、R2分壓電阻的溫漂對(duì)輸出影響很大甚至超過TL431本身。分壓電阻用普通厚膜貼片溫漂可能到100ppm/℃甚至更高換用25ppm或更低的高精度薄膜電阻后整個(gè)基準(zhǔn)的溫漂表現(xiàn)能提升好幾倍。我后來做批量產(chǎn)品負(fù)基準(zhǔn)里的分壓電阻一律選0.1%精度、25ppm溫漂的型號(hào)成本增加不多但省了很多測(cè)試返工。3. 實(shí)戰(zhàn)技巧二TL431PMOS搭負(fù)壓線性穩(wěn)壓器3.1 為什么負(fù)壓LDO場(chǎng)景里PMOS是核心搭檔專用負(fù)壓LDO型號(hào)少、價(jià)格貴、貨源不穩(wěn)定很多項(xiàng)目直接把正壓LDO反接輸入輸出對(duì)調(diào)結(jié)果要么靜態(tài)電流異常要么啟動(dòng)時(shí)序混亂。TL431配合一顆PMOS做負(fù)壓線性穩(wěn)壓器等效于一個(gè)低壓差負(fù)LDO調(diào)整管壓差可以做到幾百毫伏甚至更低。為什么選PMOS而不是PNPPMOS柵極是電壓驅(qū)動(dòng)TL431陰極電流只需幾毫安就能驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O電壓而PNP三極管需要持續(xù)基極電流功耗更大。在負(fù)壓拓?fù)淅颬MOS的源極接負(fù)輸入、漏極接負(fù)輸出TL431通過驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O電位來調(diào)節(jié)PMOS的導(dǎo)通程度形成閉環(huán)。這個(gè)結(jié)構(gòu)在音頻設(shè)備負(fù)軌、傳感器偏置、輔助電源次級(jí)負(fù)壓等場(chǎng)景都很實(shí)用。PMOS選型有幾個(gè)硬指標(biāo)Vds耐壓要大于輸入負(fù)壓幅值加上裕量比如輸入-12V選30V耐壓的管子Vgs耐壓要大于最大Vgs擺幅這個(gè)電路里最壞情況Vgs接近12V所以要選±20V規(guī)格Rds(on)盡量低低壓差場(chǎng)景下Rds(on)直接決定滿載壓降。AO3401這類小信號(hào)PMOSVds-30V、Vgs±20V、Rds(on)約40mΩ用在20mA負(fù)載下壓降不到1mV非常合適。3.2 電路結(jié)構(gòu)與閉環(huán)工作過程電路結(jié)構(gòu)如下輸入Vin -12V輸出目標(biāo)Vout -5VPMOS源極S接Vin漏極D接Vout柵極電阻Rg從柵極G接到Vin作用是給PMOS一個(gè)初始導(dǎo)通偏置因?yàn)镚和S等電位時(shí)Vgs0PMOS深度導(dǎo)通TL431陽極接GND陰極接到柵極GR端接分壓網(wǎng)絡(luò)分壓電阻R1從GND到R端R2從R端到VoutR1R210kΩ對(duì)應(yīng)輸出-5V工作過程是這樣的假設(shè)輸出偏負(fù)了也就是|Vout|偏大比如-5.3V分壓后R端電壓VR會(huì)超過2.5VTL431陰極電流增大把柵極G向上拉。柵極電位上升意味著Vgs VG - Vin VG 12V變大PMOS導(dǎo)通程度減弱輸出向0V方向回升也就是幅值減小回到-5V附近。反過來如果輸出幅值偏小TL431陰極電流減小Rg把柵極拉向VinPMOS導(dǎo)通加深輸出幅值增大。整個(gè)環(huán)路就是標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)反饋穩(wěn)壓。Rg阻值選擇很關(guān)鍵。Rg太小比如100ΩG到Vin的靜態(tài)電流可能到幾十毫安白白燒功率Rg太大比如100kΩTL431陰極電流可能不足1mA基準(zhǔn)精度和環(huán)路增益都受影響。我實(shí)測(cè)下來Rg取1kΩ到4.7kΩ比較合適陰極電流能穩(wěn)定在2mA左右Rg上的功耗也只有幾毫瓦。如果追求更低靜態(tài)功耗可以把TL431換成TLV431Rg可以放大到10kΩ級(jí)別這個(gè)后面功耗優(yōu)化章節(jié)細(xì)說。TL431陰極直接接?xùn)艠O等效于集電極開路驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O是純?nèi)菪载?fù)載環(huán)路穩(wěn)定性需要注意。我習(xí)慣在陰極和R端之間并聯(lián)一個(gè)RC串聯(lián)支路典型值是100Ω加100nF能把高頻自激壓住。輸出電容Cout用1μF到10μF陶瓷電容建議再串一個(gè)0.5Ω電阻降低低ESR帶來的相位問題。3.3 實(shí)測(cè)負(fù)載調(diào)整率與壓差表現(xiàn)用AO3401搭的-12V轉(zhuǎn)-5V電路空載輸出-5.02V負(fù)載10mA時(shí)-5.03V負(fù)載20mA時(shí)-5.05V負(fù)載調(diào)整率大約0.6%對(duì)多數(shù)模擬電路夠用。壓差方面滿載20mA時(shí)輸入輸出壓差約0.3V因?yàn)镽ds(on)只有40mΩ實(shí)際限制壓差的是輸入電壓紋波和TL431最小工作電壓。這里有個(gè)值得注意的點(diǎn)空載時(shí)PMOS幾乎完全關(guān)斷但分壓網(wǎng)絡(luò)從GND到Vout之間仍然有電流。R1R210kΩ時(shí)分壓電流約5V/20kΩ0.25mA功耗約1.25mWRg的靜態(tài)電流約2mA功耗約12mW按G到Vin壓差6V算。所以空載總功耗大約13mW。這個(gè)數(shù)值不算離譜但在電池供電設(shè)備里需要優(yōu)化方法就是把分壓電阻整體放大、換低功耗基準(zhǔn)、提高Rg阻值。另外要提醒輸出過壓風(fēng)險(xiǎn)如果TL431損壞開路Rg會(huì)把柵極拉到VinPMOS完全導(dǎo)通輸出直接變成-12V可能損傷后級(jí)電路。穩(wěn)妥的做法是在輸出端并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓管或TVS鉗位在-6V左右或者在G和GND之間加一個(gè)10kΩ電阻確保TL431失控時(shí)柵極能被拉向GND關(guān)斷PMOS。我后來量產(chǎn)的設(shè)計(jì)里都會(huì)加這個(gè)保護(hù)電阻成本幾分錢但能避免很多售后問題。4. 實(shí)戰(zhàn)技巧三TL431光耦在輔助電源負(fù)壓反饋里的接線方式4.1 為什么輔助繞組負(fù)壓反饋不能直接照搬正壓很多通信電源、ATX電源里輔助繞組會(huì)同時(shí)出5VSB和-12V或者給運(yùn)放供電的正負(fù)雙路。正壓一路的TL431光耦反饋大家都很熟TL431陽極接地陰極接光耦LED負(fù)極LED正極通過限流電阻接輔助正電壓R端分壓采樣正壓。負(fù)壓一路如果要隔離反饋很多人直接鏡像結(jié)果發(fā)現(xiàn)TL431參考端被拉到負(fù)電位完全沒法工作或者光耦LED電流方向反了反饋直接失效。核心原因有三個(gè)。第一TL431的參考端R是以陽極為基準(zhǔn)的負(fù)壓輸出如果直接接到R端R端電位會(huì)低于陽極TL431內(nèi)部比較器直接飽和。第二光耦LED的電流方向決定了它的正極必須接一個(gè)相對(duì)較高的電位負(fù)壓域里這個(gè)“高位”通常是GND或另外一路正壓。第三負(fù)壓的采樣分壓電阻網(wǎng)絡(luò)必須以“負(fù)輸出到GND”的幅值為對(duì)象不能簡(jiǎn)單把正壓方案的上下電阻對(duì)調(diào)。4.2 實(shí)際電路R端分壓采樣負(fù)壓幅值光耦反饋回原邊一個(gè)可以穩(wěn)定工作的負(fù)壓光耦反饋拓?fù)淙缦乱暂o助繞組輸出-12V為例TL431陽極接副邊GNDTL431陰極接光耦LED負(fù)極光耦LED正極經(jīng)限流電阻R_LED接到副邊輔助正電源比如5V或12VTL431的R端分壓網(wǎng)絡(luò)R_top從GND接到R端R_bottom從R端接到負(fù)輸出Vout光耦三極管側(cè)接原邊PWM控制器的FB或COMP端原邊地獨(dú)立當(dāng)|Vout|12V時(shí)分壓關(guān)系滿足 VR |Vout| * R_top / (R_top R_bottom) 2.5VTL431工作在平衡點(diǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)先定R_bottom再算R_top。按 R_top / R_bottom 2.5 / (|Vout| - 2.5) 計(jì)算對(duì)于-12V輸出比例是2.5 / 9.5 0.26316。取R_bottom100kΩR_top26.1kΩE96標(biāo)準(zhǔn)值輸出約12.0V取R_bottom47kΩ、R_top12kΩ輸出約12.29V誤差2.4%。如果要求嚴(yán)格用R_top12.4kΩ可以拉回12.01V。分壓電阻的阻值范圍建議落在10kΩ到1MΩ之間。低于10kΩ靜態(tài)功耗偏大高于1MΩTL431參考端輸入電流典型2μA會(huì)造成可觀的偏移比如1MΩ電阻上2μA就是2V完全沒法忽略。我在低功耗設(shè)計(jì)里習(xí)慣用100kΩ級(jí)別參考端2μA電流在100kΩ上只產(chǎn)生0.2V誤差可以通過計(jì)算補(bǔ)償?shù)艉竺婀恼鹿?jié)再細(xì)算。4.3 光耦LED限流電阻與CTR的老化余量光耦LED電流的設(shè)置直接影響反饋環(huán)路增益。LED正極接5V輔助源時(shí)限流電阻R_LED的取值要考慮LED正向壓降約1.2V和TL431陰極電壓。TL431陽極接地陰極電壓大致在1.5V到3V之間線性變化所以R_LED上的壓降大約是5V - 1.2V - 2V 1.8V。如果想讓LED電流在3mA左右R_LED取600Ω到1kΩ實(shí)際常用1kΩ起步實(shí)測(cè)電流約1.8mA仍在PC817的線性區(qū)。光耦CTR老化是很多電源用幾年后出問題的根源。PC817在高溫下連續(xù)工作CTR會(huì)緩慢下降可能降到初始值的一半甚至更低。所以設(shè)計(jì)反饋環(huán)路時(shí)LED電流不能卡著數(shù)據(jù)手冊(cè)下限要留足余量。推薦選PC817B檔CTR標(biāo)稱130%到260%反饋電流余量足夠。如果負(fù)壓精度要求高可以把LED電流設(shè)計(jì)到5mA左右CTR老化后的衰減也能兜住。這里順便回應(yīng)一下很多人搜的“ATX電源輔助繞組反饋電路中TL431的上下分壓電阻阻值大概是多少”正壓5V輔助繞組經(jīng)典取值是上電阻10kΩ輸出端到R端、下電阻10kΩR端到GND輸出約4.99V靜態(tài)電流0.25mA如果是負(fù)壓-12V繞組按上面的公式R_topGND到R端約26.1kΩ、R_bottomR端到負(fù)輸出約100kΩ靜態(tài)電流約95μA分壓功耗約1.2mW。如果板子對(duì)功耗不敏感可以把阻值整體縮小到10kΩ級(jí)別環(huán)路穩(wěn)定性更好但功耗會(huì)多10倍取舍看項(xiàng)目需求。4.4 多路反饋的避坑正負(fù)壓別搶環(huán)路如果輔助電源同時(shí)有5V和-12V都要穩(wěn)壓就涉及反饋疊加問題。兩個(gè)TL431都驅(qū)動(dòng)同一個(gè)光耦LED屬于“或”邏輯誰要求降低輸出電壓誰生效。正壓TL431工作在正常區(qū)負(fù)壓TL431一旦檢測(cè)到負(fù)壓幅值偏大也會(huì)把LED電流拉大形成競(jìng)爭(zhēng)。處理方式是讓負(fù)壓支路的反饋靈敏度略低一些或者在負(fù)壓支路串一個(gè)二極管做優(yōu)先級(jí)隔離避免兩路在邊界處反復(fù)搶反饋導(dǎo)致輸出低頻抖動(dòng)。這個(gè)我實(shí)際調(diào)試時(shí)遇到過現(xiàn)象是-12V在空載和輕載切換時(shí)輸出會(huì)有幾百Hz的振蕩后來在負(fù)壓TL431的陰極與光耦陰極之間串了一個(gè)1N4148問題就消失了。5. 功耗優(yōu)化從毫安級(jí)摳到微安級(jí)的三板斧5.1 先搞清TL431的最低工作電流TL431這種并聯(lián)型基準(zhǔn)陰極電流必須大于一定值基準(zhǔn)才能保證精度。數(shù)據(jù)手冊(cè)通常寫IKA范圍1mA到100mA1mA以下不是說不能工作而是Vref精度、動(dòng)態(tài)阻抗沒保證。低功耗設(shè)計(jì)里很多人把陰極電流壓到0.5mA甚至0.3mA室溫下能穩(wěn)住2.49V溫度一變化就漂出規(guī)格這種設(shè)計(jì)不能用于量產(chǎn)。如果功耗是硬指標(biāo)直接換低功耗并聯(lián)基準(zhǔn)更省事。TLV431/TLVH431的Vref是1.24V最小陰極電流約50μA到80μA比TL431低一個(gè)數(shù)量級(jí)NCP431、AZ431也有低電流版本。注意老型號(hào)TLV431的VKA最高只能到6V負(fù)壓幅值超過6V的場(chǎng)景要選TLVH431它的VKA可以到18V。也就是說-12V這種應(yīng)用TLV431極限狀態(tài)有點(diǎn)緊張TLVH431更合適-5V以內(nèi)用TLV431沒問題。選型對(duì)比可以看這個(gè)表器件Vref最小陰極電流VKA上限適用場(chǎng)景TL4312.495V1mA保證精度36V通用、反饋、較高電壓TLV4311.24V50μA6V低壓負(fù)基準(zhǔn)、低功耗TLVH4311.24V80μA18V中壓負(fù)基準(zhǔn)、低功耗5.2 陰極電阻和分壓電阻的功耗平衡負(fù)壓拓?fù)淅锟蛰d功耗主要來自三部分分壓網(wǎng)絡(luò)電流、TL431陰極電流、調(diào)整管驅(qū)動(dòng)電阻電流。以-5V負(fù)基準(zhǔn)源為例分壓網(wǎng)絡(luò)用R1R210kΩ時(shí)電流約0.25mA功耗約1.25mW陰極電阻Rc1kΩ時(shí)陰極電流約2mA功耗約8mW。如果一塊板子上有6路這樣的負(fù)壓每路10mW就是60mW待機(jī)功耗很容易超標(biāo)。優(yōu)化第一步是放大分壓電阻。R1R2都改成100kΩ分壓電流降到25μA功耗降到0.125mW但要注意參考端Iref的影響TL431的Iref典型2μA、最大4μA在100kΩ級(jí)別電阻上會(huì)產(chǎn)生0.2V到0.4V的偏移會(huì)直接反映到輸出精度上。所以放大電阻后要么在計(jì)算時(shí)把Iref補(bǔ)償進(jìn)去要么改用參考端電流更小的TLV431它的Iref典型只有0.1μA左右?guī)缀蹩梢院雎?。第二步是壓低陰極電流。TL431最低保證1mA這個(gè)很難突破TLV431可以做到50μA到100μA。同樣-5V基準(zhǔn)陰極電阻從1kΩ換成10kΩ到20kΩ陰極電流能控制在100μA級(jí)別功耗從8mW降到0.5mW以下。這一步優(yōu)化效果最明顯代價(jià)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢對(duì)純基準(zhǔn)應(yīng)用足夠?qū)?dòng)態(tài)負(fù)載場(chǎng)景要重新評(píng)估。5.3 動(dòng)態(tài)功耗待機(jī)與重載分時(shí)優(yōu)化有些設(shè)備待機(jī)時(shí)要求功耗極低工作時(shí)才需要完整功能。這時(shí)可以給負(fù)壓電路加一個(gè)使能開關(guān)用一個(gè)N溝道MOS管把TL431陰極電阻或分壓網(wǎng)絡(luò)的下端從GND斷開。待機(jī)時(shí)負(fù)壓基準(zhǔn)完全不工作只有調(diào)整管的亞閾值漏電流基本可以忽略。注意使能開關(guān)要控制整個(gè)反饋環(huán)路的電流路徑只斷開分壓電阻不切斷陰極依然會(huì)有漏電路徑。輕載時(shí)讓PWM控制器進(jìn)入跳周期模式也是常用的降功耗手段。負(fù)壓光耦反饋回路里如果原邊控制器支持跳過周期反饋信號(hào)在輕載時(shí)會(huì)自動(dòng)拉低占空比負(fù)壓輸出靠輸出電容維持。設(shè)計(jì)時(shí)要保證光耦LED電流在跳周期工作點(diǎn)附近不要忽大忽小否則會(huì)出現(xiàn)可聞噪聲或輸出紋波增大。還有一類功耗優(yōu)化是調(diào)整管本身的損耗。負(fù)壓線性穩(wěn)壓器從-12V降到-5V負(fù)載20mA時(shí)PMOS上壓降7V功耗140mW這是主導(dǎo)功耗。這種情況下不管怎么優(yōu)化TL431的靜態(tài)電流線性穩(wěn)壓的效率天花板就在那里。最有效的辦法是降低輸入負(fù)壓的幅度比如先用開關(guān)電源產(chǎn)生-7V再用這個(gè)負(fù)壓LDO穩(wěn)到-5V壓差降到2V功耗降到40mW?；蛘咧苯佑秘?fù)壓Buck-Boost方案但成本和EMI會(huì)上升看項(xiàng)目取舍。我自己復(fù)盤過很多“功耗超標(biāo)”的案子發(fā)現(xiàn)大部分問題不是出在方案選型上而是分壓電阻人為取值太小。比如有人習(xí)慣性用4.7kΩ做分壓理由是“穩(wěn)”結(jié)果-12V路上白白燒了十幾mW六路加起來輕松超過50mW待機(jī)指標(biāo)直接不合格。先把各路負(fù)壓的靜態(tài)電流列成一張表看每路電流花在哪再?zèng)Q定要不要?jiǎng)与娮柽@個(gè)習(xí)慣能幫你少走很多彎路。6. 負(fù)壓TL431應(yīng)用的常見坑與排查順序6.1 上電不工作、輸出掉到0V負(fù)壓TL431電路最常見的故障是上電后輸出直接掉到0V或者維持在很淺的負(fù)壓。先查陰極-陽極壓差VKA是否大于2.5V這是TL431啟動(dòng)的硬條件。負(fù)壓幅值如果接近2.5V整個(gè)電路的調(diào)整范圍非常窄稍微有點(diǎn)噪聲就鎖不住表現(xiàn)就是輸出飄忽不定。這種情況要么提高負(fù)壓幅值要么換Vref更低的TLV431。第二個(gè)要查的是分壓電阻方向。負(fù)壓拓?fù)淅颮1從GND接到R端R2從R端接到負(fù)輸出這兩個(gè)位置一旦對(duì)調(diào)反饋極性就反了變成正反饋輸出直接奔著0V去。用萬用表量R端對(duì)陽極的電壓如果沒有穩(wěn)定在2.495V附近大概率是分壓方向接錯(cuò)。我自己的排查習(xí)慣是斷開整個(gè)環(huán)路只給TL431供電先確認(rèn)R端電壓能鉗到2.5V再接入分壓網(wǎng)絡(luò)最后接調(diào)整管分步定位問題。6.2 輸出振蕩或紋波毛刺大TL431在負(fù)壓拓?fù)淅镒约け日龎弘娐犯菀壮霈F(xiàn)原因是負(fù)壓域里參考端到GND的阻抗普遍偏高寄生電容和分壓電阻形成了一個(gè)額外極點(diǎn)。癥狀是輸出疊加幾十kHz到幾百kHz的正弦振蕩或者紋波波形上出現(xiàn)明顯的尖峰毛刺。低頻自激的解決辦法是在R端和陰極之間并一個(gè)RC串聯(lián)支路典型值是100Ω到1kΩ電阻串100nF到1μF電容。這個(gè)補(bǔ)償支路在反饋環(huán)路里加了一個(gè)零點(diǎn)抵消分壓電阻和寄生電容帶來的極點(diǎn)。高頻毛刺多半是輸出電容ESR太低導(dǎo)致的陶瓷電容ESR只有幾毫歐在環(huán)路帶寬附近可能引發(fā)諧振解決方法是輸出電容串0.5Ω到1Ω電阻或者并用一顆鉭電容。示波器的判讀也有技巧。低頻自激幾十kHz波形一般是光滑的正弦或三角波相位裕度不夠高頻尖刺幾百kHz到MHz通常是環(huán)路帶寬和輸出電容諧振兩者的對(duì)策完全不同別搞混。6.3 精度不夠、輸出電壓隨溫度漂輸出精度不達(dá)標(biāo)先別懷疑TL431本身。TL431的Vref精度和溫漂是固定的普通檔位溫漂大約幾十ppm/℃B檔精度±0.5%。更大的誤差通常來自分壓電阻普通厚膜電阻溫漂可能到100ppm/℃甚至更高兩顆電阻的溫漂方向不一致輸出就會(huì)跟著溫度明顯漂移。把分壓電阻換成0.1%精度、25ppm溫漂的薄膜電阻輸出穩(wěn)定性會(huì)有質(zhì)的提升。如果分壓電阻阻值超過1MΩTL431參考端輸入電流造成的偏移就不能忽略了。Iref典型2μA在1MΩ電阻上產(chǎn)生2V壓降這個(gè)誤差遠(yuǎn)大于Vref精度。要么把阻值降到100kΩ級(jí)別要么用TLV431這種Iref很小的器件。計(jì)算時(shí)把Iref考慮進(jìn)去實(shí)際的R端電壓會(huì)比理論值偏一個(gè)Iref乘以等效并聯(lián)阻抗設(shè)計(jì)時(shí)可以預(yù)先補(bǔ)償。6.4 常見問題排查速查表故障現(xiàn)象可能原因優(yōu)先排查項(xiàng)輸出0V或極淺負(fù)壓VKA不足2.5V量TL431陽極到陰極壓差輸出0V或極淺負(fù)壓分壓電阻方向接反查R_top/R_bottom位置輸出振蕩幾十kHz環(huán)路相位裕度不足R端加RC補(bǔ)償紋波高頻毛刺輸出電容ESR過低串0.5Ω~1Ω電阻輸出隨溫度漂移分壓電阻溫漂大換25ppm精密電阻輸出偏壓固定偏差參考端Iref影響降阻值或補(bǔ)償計(jì)算負(fù)載變化時(shí)抖動(dòng)光耦CTR余量不足LED電流加大或換B檔待機(jī)功耗超標(biāo)分壓電阻取值太小放大阻值、換TLV431最后說點(diǎn)個(gè)人體會(huì)。TL431在負(fù)壓電路里工作這件事本身不難難的是從“基準(zhǔn)器件”的思維慣性里跳出來——把它當(dāng)成一個(gè)有基準(zhǔn)的比較器加驅(qū)動(dòng)級(jí)來用整個(gè)負(fù)壓設(shè)計(jì)就會(huì)變得非常順手。我自己現(xiàn)在做小板子時(shí)遇到負(fù)壓需求會(huì)優(yōu)先看TL431/TLV431能不能搞定而不是一上來就找負(fù)壓LDO功耗優(yōu)化方面也養(yǎng)成了先把靜態(tài)電流列表再動(dòng)烙鐵的習(xí)慣。這個(gè)思路如果對(duì)你有幫助建議搭一個(gè)-5V基準(zhǔn)和-12V轉(zhuǎn)-5V的穩(wěn)壓器各花半小時(shí)實(shí)測(cè)一輪負(fù)載調(diào)整率和功耗比看十遍文章都管用。