一种基于TL431 的浪涌防护设计与实现

2023-10-30王洋洋刘少龙刘涛瑜

通信电源技术 2023年17期

刘力，李川，王洋洋，刘少龙，刘涛瑜

（中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所，陕西西安 710068）

0 引言

随着科技的进步与发展，各种集成式电子设备在人们的生活中已随处可见，电子产品给人们的生活带来了极大的便利，人们也越来越离不开这些电子产品。随着电子产品的不断应用，人们对这些电子产品的质量问题也越发关注。众所周知，电子产品在使用过程中难免会遇到意外的电压瞬变和浪涌电压，导致电子产品的寿命及性能大幅度下降，甚至直接损坏电子设备。据统计，电子产品的故障有75%是由电压瞬变和浪涌电压造成[1-3]。为了提高电子产品的稳定性，电路设计时必须对电源电路进行保护设计。目前，常用的电源保护电路是采用功能模块级联实现尖峰抑制或过压保护，最常见的浪涌过压保护方案是采用瞬态电压抑制二极管（Transient Voltage Suppressor，TVS）[4-9]。由于TVS 管的动态导通阻抗特点使其反向击穿电压过低，往往不适用于高精度过压浪涌防护电路。为此本文提出一种基于TL431 的新型高精度过压浪涌防护方法，该方法结构简单，过压浪涌响应速度快，具有极高的实际应用价值。

1 可控精密稳压源TL431 介绍

可控精密稳压源TL431是美国德州仪器公司（TI）生产的一种三端可调并联稳压集成电路，对外包含3个引脚，分别为阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考端（REF），输出调节范围为2.5 ～36 V，内部由一个电压比较器、一个输出开关管和一个精密基准电压源组成，基准电压源为比较器的反向输入端提供偏置，从而使参考端电平有一个精准的比较电压，基准稳压源的典型电压值为2.495 V，其等效功能框图如图1 所示[10]。

图1 TL431 功能框图

可控精密稳压源TL431 的工作机理为当参考端电压低于基准源Uref时，比较器发低电平，三极管不导通，输入电压Uin等于输出电压Uout。当输入电压Uin过高时，参考端电压高于基准源Uref，比较器发高电平，三极管导通使TL431 的阴极管脚拉地，输出电压迅速降低。根据反馈可知，参考端电压也将降低，当参考端电压低于基准源Uref时，比较器又重新发低电平，三极管关断从而使输出电压变高。根据这个原理可以通过调节R1和R2的阻值，得到想要的输出电压值。其输出表达式为

此时，需要注意流过阴极的电流应在1 ～100 mA范围内，在使用TL431 时往往需要加限流电阻R3，其阻值大小计算公式为

输出电压不得大于36 V，否则有可能会损坏元器件。

2 电路设计框图及防护原理介绍

2.1 电路设计框图

提出的电路设计基本框图如图2 所示，其主要组成部分包括输入滤波电路、辅助电源电路、过压浪涌防护电路以及功率变换电路。整流滤波电路能够滤除直流输入中夹杂的交流信号，保证电源的输入质量。辅助电源电路为驱动电路、控制电路提供稳定的低压电源，也可为电路提供精准的参考电平。过压浪涌防护电路为电路提供输入保护，防止后级电路受到损害。功率变换电路是为满足不同供电设备要求所进行的电压和功率转换电路。防护电路利用TL431 的特点进行设计，输出反馈接TL431 的参考端，电路开关使能接TL431的阴极。当检测到输出电压过大时，TL431 的参考端电压过高从而使其阴极击穿，关断电路的输出通道，起到浪涌防护效果。

图2 电路设计基本框图

2.2 防护原理介绍

根据图2 的电路设计基本框图设计过压浪涌防护电路（见图3）。该电路中的电容C1、C2为储能滤波电容，R1、R2、R4及R5为分压电阻，R3为限流电阻，UCC为辅助电源电压，Q1为P 型MOSFET 开关管，Q2为稳压二极管，用以防止因MOSFET 开关管的栅源极压差过大从而损坏开关管，Q3为三极管，D1为TL431 精密稳压源。浪涌防护电路的工作原理为当输入电压在正常范围内时，辅助电源电压UCC使三极管Q3导通，此时MOSFET 开关管Q1的栅极电压因分压电阻R1和R2的分压小于源极电压，达到P 型MOSFET 的导通条件，Q1导通，Uout有输出，电路正常工作。当出现瞬态电压浪涌时，Uout瞬间变大，此时精密稳压源TL431 的参考端电压也迅速变大，当参考端电压Uref大于TL431 内部的基准稳压源电压时，TL431 的阴极拉地使辅助电源电压UCC变为0 V，Q3关断，此时MOSFET 开关管Q1的栅极电压等于源极电压，Q1关断，电路不导通从而使Uout迅速变小，避免后级电路受到浪涌电压的损害。当输出电压Uout降低并使精密稳压源TL431 的参考端电压Uref小于TL431 内部的基准稳压源电压时，Q3导通并使Q1重新打开，输出电压Uout又开始升高，使输出电压Uout在升压降压模式下不断跳动，从而维持在所设定的电压值附近。

图3 浪涌防护电路

3 电路仿真

为验证该浪涌防护电路的防护效果，使用仿真软件LTspice 对其进行仿真，搭建如图3 所示的仿真电路。输入源设置正常输入电压为28 V，浪涌电压为60 V，R1、R2、R4为10 kΩ，R5为134 kΩ，由式（1）可知设置的浪涌防护电压为32 V。仿真结果如图4 所示，可以看到在前200 ms 内，输出电压随着输入电压快速上升至28 V，在200 ms 时输入电压施加一个60 V 的浪涌电压，可以看到输出电压随着输入电压开始上升，当输出电压超过设置的浪涌防护电压32 V 时，输出电压迅速下降并稳定在32 V，随后输出电压又随着输入电压慢慢回到28 V 并稳定输出。仿真结果表明，该浪涌防护电路具有良好的浪涌防护效果，可以有效防止后级电路遭受浪涌电压的损害。

图4 仿真结果

4 试验验证

文章提出的浪涌防护电路在电源模块中进行实际应用，设置的浪涌防护电压为32 V，现对其浪涌防护效果进行实测，测试设备包括1 台直流电源（串联模式下可输出64 V），1 台四通道示波器，2 只电压探头。为了验证该设计在出现浪涌电压时电路的防护效果，设置直流源输出电压为48 V，模拟出现过压浪涌时的情况，示波器的周期为100 ms，每格电压幅度为20 V，并用2 个探头分别对其浪涌防护电路的输入和输出电压进行检测，检测波形如图5 所示。由图5 可知，上电瞬间输入电压迅速上升到预设的48 V，随后快速下降，同时输出电压慢慢上升，这是因为电路导通瞬间电路输出端的储能滤波电容快速充电使输入电压拉低，随后输入电压和输出电压一起缓慢上升，输入电压上升并稳定在了48 V，输出电压在上升至32 V 时不再上升，稳定保持在32 V。通过实际测量表明该设计具有良好的过压浪涌防护效果。