近半世紀長盛不衰的模擬芯片傳奇

TL431：近半世紀長盛不衰的模擬芯片傳奇

一枚三引腳器件，集成帶隙基準、誤差放大器與輸出晶體管—— 這款經典芯片在近五十年來始終占據行業核心地位。

20 世紀 70 年代末，德州儀器（TI）推出 TL431 時，它并非以革新者姿態問世，而是作為溫度補償型齊納二極管的更智能替代方案：無需復雜設計，就能以低成本獲得精準的 2.5V 基準電壓。

TL431 常被工程師稱為 “可編程齊納管”

但設計師們很快發現，這款小型可調并聯穩壓器的潛力遠不止于此：它成為隔離式開關模式電源（SMPS）的標準誤差放大器，是數千種反饋環路的核心部件，更化身通用模擬構建模塊，出現在所有齊納二極管無法勝任的電路場景中。

最終，TL431 定義了低成本電源的電壓調節方式，更成為歷史上被克隆、重新封裝和二次應用最多的模擬器件之一 —— 從陰極射線管（CRT）顯示器、ATX 電源，到工業控制器和汽車電子控制單元（ECU），它悄然融入各類產品的核心架構。

性能強勁的帶隙基準核心

TL431 的內部結構（數據手冊見鏈接）包含：經校準至約 2.495V 的經典帶隙基準、將參考引腳（REF）電壓與基準電壓進行比較的內部運算放大器，以及可從陰極吸收高達 100mA 電流的晶體管。本質上，它是一款帶增益的精密比較器，搭配能在寬溫度范圍和生產離散性下保持穩定的基準源。

當 REF 引腳與陰極短接時，TL431 可作為低噪聲、響應迅速的 2.5V 齊納二極管替代品；外接兩個電阻，就能構成最高約 36V 的可編程基準；將其輸出端連接到光耦合器 LED，即可成為隔離式反激變換器的完整反饋控制器。其核心優勢在于無需配置寄存器或精密偏置網絡：內部極點確保了可預測的帶寬，輸出級能以出色的一致性實現從微安級到數十毫安級的電流擺動。

L431 簡化原理圖

與 20 世紀 70 年代末的許多模擬集成電路一樣，TL431 的設計預留了充足的裕量：最小工作電流約為 1mA，而在此電流之上，器件表現出驚人的線性特性。德州儀器及其他制造商隨后推出了精度更高的版本（±1% 和 ±0.5%），確保該器件無需依賴昂貴的精密基準源，就能為消費級開關模式電源設計提供穩定的電壓環路錨點。

此外，REF 引腳的輸入電流僅為微安級，因此設定輸出電壓的分壓網絡幾乎不會影響精度。在那個低成本電源需要無額外元件即可實現穩定性的時代，這一特性足以讓 TL431 成為默認選擇。

開關電源的主力干將

到 20 世紀 80 年代中期，離線式反激變換器已無處不在 —— 電視、錄像機、電腦電源以及新興的墻插式適配器中，都能看到它的身影。這些產品的次級側通常共享一個相似的模塊：TL431 驅動光耦合器，并搭配小型 RC 網絡構成反饋環路。

TL431 在此場景中表現卓越，因其整合了多項必需功能：穩定的基準源、足夠增益以實現嚴格負載調節的內部放大器，以及無需外部緩沖即可直接調制光耦合器 LED 的輸出晶體管。設計師只需添加補償電容、一兩個電阻和采樣分壓網絡，這種簡潔性使其迅速占據數百萬個應用場景。

晶體管級原理圖

不過，TL431 的內部補償設計也帶來了一個著名的問題：在容性負載不當時容易產生振蕩。陰極上的小型陶瓷電容可能會移動主極點，導致相位裕量完全喪失，尤其在器件接近最小工作電流的輕載工況下。應用筆記隨即給出解決方案：在 TL431 與光耦合器或輸出電容之間串聯一個小電阻，通過增加零點來穩定環路。

即便存在這些注意事項，該器件依然具有良好的容錯性：只要陰極電流保持在最小值以上，且 REF 分壓網絡偏置合理，即使在元件容差大、布局簡陋或受成本限制的廉價電源中，整體環路仍能表現出可預測的穩定性。

超越反饋環路的多元應用

一旦工程師們意識到 TL431 可作為 “帶增益的齊納管”，其應用范圍便不再局限于電源調節：

?過壓保護：當電壓超過閾值時，驅動可控硅（SCR）或 MOSFET；

?精密電流源：與采樣電阻搭配，實現精準電流吸收；

?窗口比較器：在電池充電器和儀器儀表中發揮雙重作用；

?線性穩壓器：替代基準源和誤差放大器，控制外部調整管構成簡易三端穩壓器。

低壓版本（如 TLV431 和 LMV431）將基準電壓擴展至 1.24V 領域，并將最小工作電流降至數十微安；汽車級 TL431-Q1 版本則使其能適應惡劣的工業環境。數十家廠商生產引腳兼容的克隆產品，部分性能與原版幾乎一致，另一些則在增益或補償特性上存在明顯差異 —— 這也導致電源設計師有時會堅持使用單一供應商，以避免重新驗證控制環路穩定性。

盡管變體繁多，TL431 的核心架構始終未變：REF 引腳始終是基準輸入端，陽極始終為接地端，陰極始終為功能端。這種延續性使其在開關控制器和拓撲結構不斷演進的浪潮中，始終保持著不可替代的地位。

原文：

https://www.allaboutcircuits.com/news/tl431-the-precision-shunt-regulator-that-quietly-took-over-power-supplies/

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