三端稳压器的扩展应用

许多半导体公司都提供三端并联稳压器 (three-terminal shunt regulator)，这些组件内建精准参考电压、运算放大器和用来控制精准电压源的并联三极管 (shunt regulator)，图1就是典型的电路应用。三端并联稳压器是低成本的半导体组件，除了做为并联稳压器之外，它们对于其它电源供应设计也极有帮助。这些半导体组件可担任控制回路里的低成本运算放大器、搭配其它三极管和被动零件或用于靴带式电路 (boot-strap circuit)；这些组件还能做为低功率辅助电源，专门供电给在低负载下操作的脉冲宽度调变 (PWM) 控制器。尽管这些电路不会出现在并联稳压器的组件数据表，但它们都是非常有用的应用。

图1：并联稳压器 (Shunt Regulator)
运算放大器 三端稳压器特殊应用电路
在包含PWM而没有电压放大器的电源供应设计中，系统设计人员可利用并联稳压器做为低成本的运算放大器，图2就是这类应用的功能方块图。方程式1代表其中补偿电路的小信号转移函数。

注：方程式1假设Rbias

图2：PWM反馈电路的运算放大器电路
这个电路还能增加光电耦合器以提供某种电气隔离，图3就是隔离式反馈电路线路图。电阻R1提供偏压给光电耦合器和TL431，电阻R3和二极管D1提供固定偏压点，确保偏压电阻R1不会形成反馈路径。电阻R1和R2用来控制光电耦合器增益；在绝大多数设计中，R1和R2的比值大约设为10比1。光电耦合器有一个高频极点 (fp)，虽然组件数据表通常不会提供fp的信息，但透过网络分析仪即可发现这个极点在许多应用中约为10 kHz。


图3：包含隔离电路的运算放大器反馈电路图

自举电路 (Boot-Strap Circuit)
在交换式电源供应设计中，脉冲宽度调变器组件通常是由辅助线圈提供电源，其线路可参考图4；这个电路的启动需要小电流充电电阻 (Rt) 和电位保持电容 (Ch)。为了将功耗降至最低，小电流充电电阻值应越大越好。电位保持电容值也是越大越好，因为在电源供应开始工作之前，都须由它提供电源给PWM电路。

图4：交换式电源供应的靴带式电路
并联稳压器还能搭配双极三极管和数颗电阻以加快靴带时间 (boot-strap time)，详细电路请参阅图5。电路零件C、D1、Q1和Ra到Rd形成自举电路。电源启动后，电容C会完全放电，PWM的输入电源值 (Vaux) 将由Q1和D1控制的串联稳压器决定。Vaux电压在刚启动时会在最高点 (Vaux_peak)，其值由电阻Ra和Rb的比值决定。电容C和电阻Rc则用来决定自举电路的关闭电压和时间以节省电力。电阻Rd提供偏压电流给TL431，电阻Re则会限制电流值，让三极管Q1保持在安全操作区 (Safe Operating Area)。

图5：改良后的靴带式电路
电路设计并不困难，只要选择Ra和Rb来设定峰值充电电压 (Vaux_peak)。

选择Rc电阻让并联电压 (shunt voltage) 小于辅助线圈所提供的额定Vaux电压 (Vaux_nominal)。

电容C用来设定靴带时间 (Tboot)。

低功耗PWM偏压供应
在某些电源供应里，PWM电源是由类似图4的辅助线圈提供，这个电路的问题在于负载很小时，辅助线圈将无法为组件提供足够电源；此时PWM会启动和关闭，使得电源供应可能出现异常行为。图6电路显示如何利用串联稳压器解决这个问题，这个稳压器会在负载很小时启动，等到偏压线圈能够提供电力给PWM控制器时就关闭。
电阻Ra到Rd、二极管D1和D2以及三极管Q1组成低功率的偏压供应电路，用来提供高于PWM关闭电压和低于额定辅助线圈电压 (Vaux_nominal) 的稳压输出，让三极管Q1如二极管OR电路作用：当PWM电源来自辅助线圈时，Vaux电压成为逆向偏压，使得三极管Q1停止导通以节省电力；当电力泄漏使得Vaux电压下降时，Q1会进入正向偏压状态，开始提供所需的电力给PWM控制器。
低功率串联稳压器的设计并不困难，只要为Rc选择正确的电阻值，使其将适当的偏压电流提供给D1，选择Rd电阻值让Q1在安全操作区工作，Ra和Rb的电阻值则用来设定低功率串联稳压器的输出电压，其值必须大于控制组件的启动电压，同时小于辅助线圈的额定供应电压 (Vaux_nominal)。
我们可用下列方程式调整Ra和Rb组成的电阻分压器。Q1射极电压必须小于T1变压器次级线圈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的电压降和Q1的基极至射极电压。


图6：低功率辅助电源供应
结论
TL431等三端并联稳压器对许多应用都极有帮助，它们不但成本低，用途又广泛，可经由电路设计在交换式电源供应中执行许多功能。这些组件可做为高精准度的电压参考，或是做为低成本的运算放大器以提供反馈控制，它们还能做为比传统方法更快的电源供应自举电路。并联稳压器搭配一颗NPN三极管即可组成低功率的偏压供应，它会在负载很小的时候启动，等到辅助线圈足以提供充份电力给PWM时再关闭。
三端稳压器特殊应用电路