三端并联稳压器的隐藏应用

作者：德州仪器 Michael O'Loughlin

引言：

众多半导体公司均推出了三端并联稳压器 (three-terminal shunt regulator)。此类器件带有内部基准精确度、运算放大器及内部并联晶体管，以精确控制供电电压。图 1 给出了典型的电路应用。三端并联稳压器是廉价的半导体器件，除了并联稳压器以外，其还具备其他有用的电源设计应用。这种半导体器件可用作廉价的运算放大器，用于控制回路反馈。该器件还可同晶体管及无源组件协同使用，又可用于快速自举电路。此外，这种器件经过配置，还可作为低功耗辅助电源工作，在轻负载操作条件下为脉宽调制器 (PWM) 控制器供电。尽管上述电路在并联稳压器的产品说明书上没有说明，但却是非常有用的应用。


运算放大器：

在设计包含 PWM 而不含电压放大器的电源设计时，系统设计人员可采用并联稳压器作为廉价的运算放大器。图 2 给出了这种应用的功能结构图。方程式 1 解释了这种补偿网络的小信号传输函数的数学原理。

注释：方程式 1 建立在 Rbias << Rz 的基础上。


我们可向电路添加光耦合器，以实现一定程度的电隔离 (galvanic isolation)。图 3 给出了隔离的反馈电路的示意图。电阻器 R1 用于向光耦合器及 TL431 施加偏压。电阻器 R3 和二极管 D1 提供一个固定的偏置，以保证偏压电阻 R1 不会形成反馈路径。电阻器 R1 和 R2 用于控制整个光耦合器上的增益。在大多数设计中，R2 与 R1 之比大致设置为十比一。光耦合器带有高极点频率 (fp)。光耦合器的产品说明书一般不提供有关极点频率的信息。通过采用网络分析仪，我们会发现许多应用中的极点约为10 kHz。


自举电路：

在开关电源设计中，脉宽调制器 IC 通常由辅助绕组供电，有关情况可参见图4。启动这种电路需要连续补充充电电阻 (Rt) 和吸持电容 (Ch)。为了尽可能降低功耗，我们要让补充充电电阻尽可能大。吸持电容也应较大，因为它在电源开始开关之前都会向 PWM 提供能量。


我们可用一支双极管和一些电阻器来配置并联稳压器，以加速自举时间。如欲了解详情，请参见图5。通过 Rd 的电气元件 C、D1、Q1 以及 Ra 构成自举电路。在上电时，电容器 C 将完全放电，而 PWM 电源输入处的电压 (Vaux) 将由串联旁路稳压器 (series-pass regulator) 决定，旁路稳压器则通过 Q1 及 D1 控制。启动状态下的 Vaux 电压是其峰值电压 (Vaux_peak)，其值由电阻器 Ra 和 Rb 之比决定。电容器 C 和电阻器 Rcz 则用于决定计时情况以及自举电路的关闭电压，从而节约能量。电阻器 Rd 为 TL431 提供偏流，而电阻器 Re 则限制电流，以保证晶体管 Q1 处于安全的工作区域 (SOA)。

设置电路并不太困难。我们选择电阻器 Ra 和 Rb 来设置峰值充电电压 (Vaux_peak)。

选择电阻器 Rc 来降低并联电压，使之低于额定的 Vaux 电压 (Vaux_nominal)，该额定 Vaux 电压由辅助绕组提供。

电容器 C 设置自举时间 (Tboot)。


低功耗 PWM 偏置电源：

在某些电源中，PWM 由类似图4所示电路的辅助绕组供电。这种电路的问题在于，在轻负载工作情况下，辅助绕组中存储的能量不足以给 IC 供电。电源的工作情况甚至会变得难以估计，因为 PWM 将不断开关。图 6 所示的电路给出了解决这种问题的办法，即采用串联旁路稳压器，在轻负载条件下启动，而在偏置绕组可以为 PWM 控制器供电情况下关闭。

通过电阻器 Rd 的 Ra 以及二极管 D1、D2，再加上晶体管 Q1，它们构成了低功耗偏置电源。低功耗偏置电源根据设置可调节电压，使其高于 PWM 的关闭电压，又低于辅助绕组的额定电压 (Vaux_nominal)。这就使晶体管 Q1 能作为二极管或电路发挥作用。如果 PWM 由辅助绕组供电，那么 Vaux 电压将反向偏置，关闭晶体管 Q1 而节约能量。如果由于能量不足 Vaux 电压下降，那么 Q1 就会变成正向偏置，以向 PWM 控制器提供必需的能量。

设置低通串联旁路稳压器并不困难。电阻器 Rc 的大小应刚好可以向 D1 提供偏流，电阻器 Rd 的大小应刚好可以保证晶体管 Q1 不超出其 SOA 的范围，而电阻器 Ra 和 Rb 的大小则应能够调节低功耗串联旁路稳压器的电压。这种低功耗串联旁路稳压器提供的电压应设置为高于控制 IC 的启动电压，并低于辅助绕组提供的额定电压 (Vaux_nominal)。

以下方程式用于调节由 Ra 和 Rb 构成的电阻分压器。Q1 发射极处设置的电压应低于变压器 T1 二级绕组提供的额定辅助电压 (Vaux_nominal)。Vref 是并联稳压器 D1 的内部参考电压。Vd2 和 Vbeq1 分别是二极管 d2 和 Q1 基射极电压的压降。


总结：

类似TL431的三端并联稳压器在许多应用中都大有用处。这种三端子器件既廉价，功能又很多样化。这种稳压器经过配置，可在开关电源中实现多种功能。这种器件可用作基准精确度，也可作为廉价的运算放大器以进行反馈控制。这种稳压器还可用于电源的快速自举，这与传统的方法不同。并联稳压器与 NPN 晶体管配合使用，还能实现低功耗偏置电源，在轻负载条件下启动，而在辅助绕组能够为 PWM 提供足够电力的时候关闭。