TL431

TL431
전압 조절기 IC
등가(기능 수준) 개략도
유형	조절식 션트 전압 조절기
도입년도	1977
오리지널 제조업체	텍사스 인스트루먼트

TL431은 3단자 조절식 정밀 션트 전압 조절기 집적회로다.외부 전압 분배기를 사용하여 TL431은 100mA 이상의 전류에서 2.5~36V 범위의 전압을 조절할 수 있다.공칭 2.495V 수준에서 기준 전압의 일반적인 초기 편차는 밀리볼트로 측정되며, 최악의 경우 최대 편차는 수십 밀리볼트로 측정된다.회로는 전력 트랜지스터를 직접 제어할 수 있다. 전력 MOS 트랜지스터와 TL431의 조합은 고효율, 매우 낮은 드롭아웃 선형 조절기에 사용된다.TL431은 입력 및 출력 네트워크의 광전자 커플링이 있는 스위치 모드 전원 공급기에 대한 사실상의 산업 표준 오류 증폭기 회로다.

텍사스 인스트루먼트는 1977년에 TL431을 도입했다.21세기에는 원래의 TL431이 다수의 클론 및 파생상품과 함께 생산에 머무르고 있다(TL432, ATL431, KA431, LM431, TS431, TS431, 142 е19 등).기능적으로 유사한 회로는 다이 크기와 배치, 정밀도와 속도 특성, 최소 작동 전류 및 안전 작동 영역에서 상당히 다를 수 있다.

시공 및 운영

TL431은 3단자 양극성 트랜지스터 스위치로 안정적인 2.5V 스위칭 임계값이 있고 뚜렷한 이력(hysteresis)이 없는 이상적인 n형 트랜지스터와 기능적으로 동등하다.이 "트랜지스터"의 "Base", "collector" 및 "emitter"는 전통적으로 참조(R 또는 REF), 음극(C), 양극(A)으로 불린다.^[5]양극 제어 전압 V는_REF 기준 입력과 양극 사이에 적용되며 출력 전류 I는_CA 음극에서 양극으로 흐른다.^[5]

기능 수준에서 TL431은 2.5V 전압 기준과 입력 제어 전압을 기준과 비교하는 개방형 루프 작동 증폭기를 포함한다.^[5]그러나 이것은 추상화에 불과하다. 두 기능 모두 TL431의 프런트 엔드 안에서 불가분의 관계에 있다.물리적 2.5V 소스는 존재하지 않는다. 실제 내부 참조는 입력 이미터 팔로워 T1, T6에 의해 구동되는 1.2V 위들러 밴드갭(트랜지스터 T3, T4, T5)에 의해 제공된다.^[6]이를 통해 음극 양극 전압이 최소 2.0V 정도로 2.5V 미만으로 떨어지는 경우에도 올바르게 작동할 수 있다.차동 증폭기는 두 개의 전류 소스(T8, T9)로 구성된다. 전류의 양의 차이는 T10의 베이스로 가라앉는다.^[6]출력 오픈 컬렉터 트랜지스터 T11은 최대 100mA까지 전류를 싱크할 수 있으며, 역다이오드로 극성 역전으로부터 보호된다.^[1][5]회로는 과도한 전류 또는 과열로부터 보호하지 않는다.^[1][5]

V가_REF 안전하게 2.5V 임계값(전류 전압 곡선의 포인트 A)보다 낮으면 출력 트랜지스터가 닫힌다.전면 회로에 공급되는 잔류 음극 양극 전류 I는_CA 100 μA와 200 μA 내에 머무른다.^[7]V가_REF 임계값에 접근하면 I는_CA 300–500μA까지 상승하지만 출력 트랜지스터는 닫힌 상태를 유지한다.^[7]임계값(점 B)에 도달하면 출력 트랜지스터가 부드럽게 열리고 I는_CA 약 30mA/V의 속도로 상승하기 시작한다.^[7]V가_REF 임계값을 약 3mV 초과하고 내가_CA 500~600μA(점 C)에 도달하면 전도는 1.0~1.4A/V로 급격히 점프한다.^[7]이 지점 이상에서 TL431은 정상의 높은 전도성 모드에서 작동하며, 차동 전압에서 단일 엔드 전류 변환기 모델까지의 편리한 근사치일 수 있다.^[8][7]전류는 음극과 제어 입력을 연결하는 음극 피드백 루프가 임계값 이상에서 V를_REF 안정화할 때까지 상승한다.이 지점(V_ref)은 엄밀히 말하면 완전한 조절기의 기준 전압이다.^[2][9]또는 TL431은 전압 비교기로서 피드백 없이 또는 Schmitt 트리거로서 긍정적인 피드백을 받지 않고 작동할 수 있다. 그러한 애플리케이션에서 나는_CA 양극 부하와 전원 공급 용량에 의해서만 제한된다.^[10]

기준 입력 전류 I는_REF I와_CA 독립적이며 약 2μA에서 상당히 일정하다.네트워크 공급 기준 입력은 최소 이 양의 두 배(4μA 이상)를 소싱할 수 있어야 한다. REF 입력 걸기는 금지되지만 TL431을 직접 손상시키지는 않는다.^[10]핀을 통과하는 전압이 안전 한계 내에 유지되는 경우 핀의 개방 회로, 핀의 접지 측 단락 또는 핀 쌍 사이의 단락에서 살아남는다.^[11]

정밀도

데이터 시트에 명시된 공칭 기준 전압 V_REF=2.495 V는 +25°C(77°F)의 주변 온도 및 I_CA=10mA의 제너 모드에서 시험한다.^[13]임계 전압과 저전도 모드와 고전도 모드 사이의 경계는 지정되지 않았고 시험되지 않았다.^[7]실제 애플리케이션에서 특정 TL431에 의해 유지되는 실제 V는_REF 다음 네 가지 요소에 따라 2.495 V보다 높거나 낮을 수 있다.

• 특정 칩의 개별 초기 편차.등급이 다른 TL431의 경우 정상 조건에서의 편차는 ±0.5% ±1% 또는 ±2%^[14] 이내.
• 온도.밴드갭 기준 전압의 열도는 혹처럼 생겼다.설계상 혹은 +25°C(77°F)를 중심으로 하며, 여기서 V_REF = 2.495V, +25°C(77°F) 위와 아래로 V는 몇 밀리볼트만큼_REF 부드럽게 감소한다.그러나 특정 IC가 표준에서 크게 벗어나면 혹은 더 낮거나 더 높은 온도로 이동하며 최악의 이상에서는 단조롭게 상승 또는 하강 곡선으로 변한다.^[15][12]
• 유한한 출력 임피던스 때문에 V_CA 전압의 변화는 트랜지스터나 트라이오드에서와 마찬가지로 I_CA 및 간접적으로_REF V에 영향을 미친다.특정 고정 I의_CA 경우 V의_CA 1V 상승은 V의_REF 1.4mV(2.7mV 최악의 경우 최대)^[13] 감소로 오프셋되어야 한다.비율 μ = 1 V / 1.4 mV ≈ 300–1000 또는 ≈ 50–60 dB는 DC 및 저주파에서의 이론상 최대 개방 루프 전압 이득이다.^[16]
• 유한한 전도성 때문에 I의_CA 상승은 0.5–1 mV/mA의 속도로 V의_REF 상승을 일으킨다.^[17]

속도와 안정성

TL431의 개방 루프 주파수 응답은 1차 로우패스 필터로서 신뢰성 있게 근사치를 계산할 수 있다.지배극은 출력단계의 비교적 큰 보정 캐패시터에 의해 제공된다.^[16][10]등가 모델에는 70nF 캐패시터로 션드된 이상적인 1A/V 전압 대 전류 컨버터가 포함되어 있다.^[16]230Ω의 일반적인 음극 부하에 대해서는 10kHz의 개방 루프 차단 주파수 및 2MHz의 유니티 게인 주파수로 해석된다.^[16][18]다양한 2차 효과로 인해 실제 통합 이득 빈도는 1MHz에 불과하며, 실제로는 1MHz와 2MHz의 차이는 중요하지 않다.^[18]

I_CA, V의_CA 슬루 레이트와 V의_REF 안착 시간은 지정되지 않았다.텍사스 인스트루먼트사에 따르면, 전원 켜짐 과도현상은 약 2μs 동안 지속된다.처음에는 V가_CA quickly2V로 빠르게 상승하다가 이 수준에서 약 1μs 동안 잠긴다.정상 상태 전압에 내부 캐패시턴스를 충전하면 0.5~1μs가 더 많이 소요된다.^[19]

용량성 음극 부하(C_L)는 불안정성과 진동을 일으킬 수 있다.^[20]원본 데이터시트에 게재된 안정성 경계도에 따르면, TL431은 C가_L 1nF 이하일 때, 또는 10μF 이상일 때 절대적으로 안정적이다.^[21][22]1nF–10μF 범위 내에서 진동 가능성은 캐패시턴스 I와_CA V의_CA 조합에 따라 달라진다.^[21][22]최악의 시나리오는 낮은 I과_CA V에서_CA 일어난다.반대로 TL431이 최대 소산 등급에 근접하게 작동할 때 하이 I과_CA 하이 V의_CA 조합은 절대적으로 안정적이다.^[22]단, 높은_CA I 및 높은_CA V를 위해 설계된 조절기라도 V가_CA 아직 정상 상태 수준으로 상승하지 않은 경우 전원을 켤 때 진동할 수 있다.^[21]

텍사스 인스트루먼트는 2014년 신청서에서 안정성 경계도가 불합리하게 낙관적이라고 인정했다.^[22]그들은 제로 위상 여유에서 "일반적인" IC 표본을 설명한다. 실제로 견고한 설계는 최소 30도 위상 여유를 목표로 해야 한다.^[22]일반적으로 음극과 부하 캐패시턴스 사이에 직렬 저항을 삽입하여 후자의 ESR을 효과적으로 증가시키면 원치 않는 진동을 억제하기에 충분하다.직렬 저항은 비교적 낮은 주파수에서 저주파 영점을 도입하여 부하 캐패시턴스에 의해서만 발생했던 원치 않는 위상 지연의 대부분을 취소한다.직렬 저항기의 최소값은 1Ω(높은 C_L)과 1kOhm(낮은 C_L, 높은_CA V) 사이에 있다.^[23]

적용들

선형조절기

가장 단순한 TL431 레귤레이터 회로는 제어 입력을 음극에 단락시킴으로써 만들어진다.그 결과 2단자 네트워크는 안정적인 임계 전압 V_REF v2.5V, 저주파 임피던스 약 0.2Ω의 저주파수 임피던스를 갖는 제너와 같은 전류 전압 특성을 갖는다.^[24]임피던스는 약 100 kHz에서 증가하기 시작하고 약 10 MHz에서 10 Ohm에 도달한다.^[24]2.5V보다 높은 전압을 조절하려면 외부 전압 분배기 R2R1이 필요하다. 음극 전압과 출력 임피던스는 1+R2/R1배 증가한다.^[25]조절된 최대 지속 전압은 36V를 초과할 수 없으며, 최대 음극 양극 전압은 37V로 제한된다.^[26]역사적으로 TL431은 이 응용 프로그램을 염두에 두고 설계 및 제조되었으며, "고비용, 온도 보상형 제너들을 위한 극히 매력적인 대체품"^[27]으로 광고되었다.

이미터 팔로워를 추가하면 션트 조절기가 직렬 조절기로 변환된다.단일 npn형 트랜지스터 또는 달링턴 쌍은 상당히 높은 수집기-이미터 전압 강하를 요구하기 때문에 효율성이 보통이다.^[28]단일 공통 방출기 pnp형 트랜지스터는 포화 모드에서 올바르게 작동할 수 있으며 전압 강하는 ≈0.25에 불과하지만 실용적으로 높은 베이스 전류도 있다.^[29]복합 pnp형 트랜지스터는 구동 전류가 필요 없지만 최소 1V 전압 강하가 필요하다.^[29]N 채널 전력 MOSFET 장치는 낮은 드라이브 전류, 매우 낮은 드롭아웃 전압 및 안정성을 최적으로 조합할 수 있다.^[29]그러나 저 드롭 MOSFET 작동에는 게이트를 구동하기 위한 추가 고전압 소스(개략도의 ΔU)가 필요하다.^[29]

TL431을 사용하는 폐쇄 루프 레귤레이터 회로는 항상_CA 1mA(전류 전압 곡선의 포인트 D) 이상의 높은 전도성 모드에서 작동하도록 설계되어 있다.^[3][2][4]제어 루프 안정성을 향상시키려면 전체 효율을 떨어뜨릴 수 있지만 최적 I을_CA 약 5mA로 설정해야 한다.^[30][2]

스위치 모드 전원 공급 장치

21세기 광커플러의 발광다이오드(LED)를 탑재한 TL431은 사실상 규제형 개폐형 전력공급장치(SMPS)를 위한 산업 표준 솔루션이다.^[8][4][9]TL431의 제어 입력을 구동하는 저항성 전압 분할기와 LED 음극은 일반적으로 조절기의 출력에 연결되며, 광투플러의 광전자 증배기는 펄스 폭 변조(PWM) 컨트롤러의 제어 입력에 연결된다.^[33]LED를 켠 저항기 R3(약 1kOhm)은 I가_CA 1mA 임계값 이상으로 유지되도록 돕는다.^[33]노트북 컴퓨터와 함께 제공되는 일반적인 전원 공급 장치/충전기에서 평균 I는_CA 0.5 mA LED 전류와 1 mA 션트 전류(2012 데이터)를 포함하여 약 1.5 mA로 설정된다.^[2]

TL431을 사용한 강력하고 효율적이며 안정적인 SMPS 설계는 공통적이지만 복잡한 작업이다.^[34]가능한 가장 간단한 구성에서 주파수 보상은 통합 네트워크 C1R4에 의해 유지된다.^[34]이 명시적 보정 네트워크 외에도 제어 루프의 주파수 응답은 출력 스무딩 캐패시터, TL431 자체 및 광선미스터의 기생 캐패시턴스에 의해 영향을 받는다.^[35]TL431은 1개가 아니라 2개의 제어 루프에 의해 제어된다. 주, 전압 분배기로 출력 캐패시터에 연결된 "저속 레인" 루프, LED로 출력 레일에 연결된 보조 "고속 레인"이다.^[36]LED의 매우 낮은 임피던스로 로드된 IC는 전류 소스로 작동하며, 원치 않는 전압 리플이 출력 레일에서 거의 방해받지 않고 음극으로 전달된다.^[36]이 "고속 차선"은 중간 대역 주파수(10kHz–1MHz)^[37]에서 지배하며, 보통 출력 캐패시터에서 LED를 제너 다이오드^[38] 또는 로우패스 필터로 분리하여 파손된다.^[37]

전압 비교기

가장 단순한 TL431 기반 대조군 회로는 I를_CA 약 5mA로 제한하기 위해 단일 외부 저항을 필요로 한다.^[39]소전류에서의 작동은 더 긴 차단 과도현상 때문에 바람직하지 않다.^[39]켜기 지연은 대부분 입력 전압과 임계값 전압 간의 차이(오버드라이브 전압)에 따라 결정되며, 오버드라이브가 높을수록 켜기 프로세스가 빨라진다.^[39]최적의 과도속도는 10%(250mV) 오버드라이브 및 소스 임피던스 10kOhm 이하에서 달성된다.^[39]

온스테이트 V는_CA 약 2V로 떨어지며, 이는 5V 전원 공급기의 트랜지스터-트랜지스터 논리(TTTL) 및 CMOS 논리 게이트와 호환된다.^[40]저전압 CMOS(예: 3.3V 또는 1.8V 논리)는 저항성 전압 분할기로 레벨 변환을 요구하거나, TL431을 TLV431과 같은 저전압 대안으로 교체해야 한다.^[40][41]

TL431 기반 대조군과 인버터는 릴레이 논리 규칙에 따라 쉽게 계단식 배열할 수 있다.예를 들어, 2단계 윈도우 전압 모니터가 켜진다(고상태에서 저상태 출력으로 전환).

${\displaystyle U_{REF}(1+R3/$$R4$$<U_{IN}<U_{REF}(1+R1/R2$^[42]

$R{\displaystyle }$ ${\displaystyle 1}$/ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle 2}$ ${\displaystyle R1/R2$}이$($가) ${\displaystyle \mathrm{R}}$ 3${\displaystyle }$/ ${\displaystyle \mathrm{R}}$ ${\displaystyle 4}$ ${\displaystyle R3/R4}$보다 크면$$$$ 두 트립 전압 사이의 스프레드가 충분히 넓을 수 있다.^[42]

문서화되지 않은 모드

2010년까지 DIY 잡지는 TL431을 전압 이득 장치로 채택한 많은 오디오 앰프 디자인을 발행했다.^[43]대부분은 과도한 부정적인 피드백과 낮은 이득 때문에 완전한 실패였다.^[43]개방 루프 비선형성을 줄이기 위해 피드백이 필요하지만, TL431의 제한적인 개방 루프 이득을 고려할 때,^[44] 실제 피드백 수준은 비실용적으로 낮은 폐쇄 루프 이득을 초래한다.^[43]이 증폭기의 안정성도 아쉬운 점이 많다.^[43]

본질적으로 불안정한 TL431은 몇 kHz ~ 1.5 MHz 범위의 주파수에 대해 전압 제어 오실레이터로 작동할 수 있다.^[45]그러한 발진기의 주파수 범위와 제어 법칙은 사용된 TL431의 특정 제조물에 따라 크게 달라진다.^[45]다른 제조업체가 만든 칩은 보통 교환할 수 없다.^[45]

TL431s 쌍은 1Hz ~ 50kHz 범위의 주파수에 대해 대칭의 예측 가능한 멀티비브레이터로 트랜지스터를 대체할 수 있다.^[46]이는 다시 한번 문서화되지 않고 잠재적으로 안전하지 않은 모드로서, 입력 단계 보호 다이오드(개략도의 T2)를 통해 주기적 캐패시터 충전 전류가 흐른다.^[46]

변형, 클론 및 파생 모델

다양한 제조업체가 TL431로 판매하거나 KA431 또는 TS431과 유사한 지정을 가진 집적회로는 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments) 원본과 상당히 다를 수 있다.때로는 문서화되지 않은 모드에서 시험하는 것으로만 차이가 드러날 수 있으며, 때로는 데이터시트에 공개적으로 선언되기도 한다.예를 들어 Vishay TL431은 비정상적으로 높은 (ca. 75 dB) DC 전압 이득이 있어 100Hz에서 롤아웃하기 시작하고, 10 kHz 이상의 주파수에서는 표준으로 후퇴하여 표준 1 MHz 주파수에서 단결에 도달한다.^[16]SG6105 SMPS 컨트롤러에는 TL431로 표시된 두 개의 독립형 규제 기관이 포함되지만 이들의 최대 I와_CA V는_CA 각각 16V와 30mA에 불과하며, 제조업체는 이러한 규제 기관을 정밀하게 테스트하지 않는다.^[48]

구식 TL430은 TL431의 못생긴 자매로, 텍사스 인스트루홀 패키지로만 제조되었으며, V는_REF 2.75V의 V를 가지고 있었다. 그 밴드갭 참조는 열적으로 보상되지 않았고, TL431의 그것보다 정밀도가 낮았으며, 출력 단계에는 보호 다이오드가 없었다.^[49][50]TL432는 TL431과 전기적으로 동일하며, 표면 장착 패키지로만 제조되며 핀아웃이 다르다.^[14]

2015년 텍사스 인스트루먼트는 매우 높은 효율의 스위치 모드 규제자를 위한 TL431의 개선된 파생 모델인 ATL431을 발표했다.^[51]권장 최소 작동 전류는 35μA(표준 TL431: 1mA)에 불과하며, 최대 I와_CA V는_CA 표준(100mA 및 36V)과 동일하다.^[52]유니티 게인 주파수는 250 kHz로 감소하여 고주파 리플을 감쇠시켜 컨트롤러에 다시 공급되지 않는다.ATL431은 불안정한 지역이 매우 다르다.^[52]저전압 및 전류에서 캐패시터가 고품질, 저임피던스 유형인 경우 어떠한 실제 용량 부하에서도 절대적으로 안정적이다.^[53][54]직렬 디커플링 저항기의 최소 권장 값은 250Ω(표준 TL431: 1Ω)^[55]이다.

TL431과 그 후손들을 제외하고, 2015년 현재 션트 규제자 IC는 업계에서 널리 사용되고 있는 것으로 밝혀진 것은 단 2개뿐이다.^[56]두 유형 모두 기능 및 용도는 유사하지만 내부 회로, 기준 레벨, 최대 전류 및 전압은 다르다.^[56]

• 텍사스 인스트루먼트사의 양극성 LMV431은 1.24V의 V를_REF 가지며 80μA ~ 30mA의 전류에서 최대 30V의 전압을 조절할 수 있다.^[57][58]
• 저전압 CMOS NCP100 by ON Semiconductor는 0.7V의 V를_REF 가지며 100μA ~ 20mA의 전류에서 최대 6V의 전압을 조절할 수 있다.^[59][60]

참조

참고 문헌 목록

서적 및 저널

기업 출판물