LM431可調(diào)精密齊納并聯(lián)穩(wěn)壓器深度解析

在電子設(shè)計領(lǐng)域，穩(wěn)壓器起著至關(guān)重要的作用，它能為電路提供穩(wěn)定的電壓，確保電子設(shè)備的正常運行。今天，我們就來深入探討一款廣泛應(yīng)用的可調(diào)精密齊納并聯(lián)穩(wěn)壓器——LM431。

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一、LM431概述

產(chǎn)品特性

• 溫度穩(wěn)定性：LM431具有平均溫度系數(shù)為 50 ppm/°C 的特性，能在全溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)溫度補償，確保輸出電壓的穩(wěn)定性。
• 輸出電壓可編程：其輸出電壓可通過選擇兩個外部電阻作為分壓器網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置在大于 2.5 V（(V_{REF})）至 36 V 的任意水平。
• 快速導(dǎo)通響應(yīng)：能夠快速響應(yīng)輸入電壓的變化，保證電路的穩(wěn)定性。
• 低輸出噪聲和低動態(tài)輸出阻抗：有效減少電路中的噪聲干擾，提高輸出電壓的質(zhì)量。
• 多種封裝形式：提供 SOIC - 8、SOT - 23 和 TO - 92 等節(jié)省空間的封裝，滿足不同應(yīng)用場景的需求。

應(yīng)用領(lǐng)域

• 可調(diào)電壓或電流線性和開關(guān)電源：為電源電路提供穩(wěn)定的電壓輸出。
• 電壓監(jiān)測：實時監(jiān)測電壓變化，確保電路安全。
• 電流源和吸收電路：精確控制電流的輸出和吸收。
• 需要精密參考的電路：為電路提供精確的參考電壓。
• 齊納二極管替代：可替代許多齊納二極管應(yīng)用，具有更好的性能。

二、詳細規(guī)格參數(shù)

絕對最大額定值

在使用 LM431 時，需注意其絕對最大額定值，超過這些值可能會對器件造成永久性損壞。例如，陰極電壓最大為 37 V，參考電壓最小為 - 0.5 V 等。同時，不同封裝的內(nèi)部功率耗散也有所不同，如 TO - 92 封裝為 0.78 W，SOIC 封裝為 0.81 W，SOT - 23 封裝為 0.28 W。

ESD 額定值

該器件的人體模型（HBM）靜電放電額定值為 ±2500 V，在使用和存儲過程中需注意靜電防護。

推薦工作條件

推薦的陰極電壓范圍為 (V_{REF}) 至 37 V，陰極電流范圍為 1 mA 至 100 mA，在此條件下，器件能穩(wěn)定工作。

熱信息

不同封裝的熱阻參數(shù)不同，如 SOIC 封裝的結(jié)到環(huán)境熱阻 (R_{θJA}) 為 126.9 °C/W，SOT - 23 封裝為 267.7 °C/W，TO - 92 封裝為 162.4 °C/W。了解這些熱信息有助于合理設(shè)計散熱方案，確保器件在合適的溫度下工作。

電氣特性

• 參考電壓 (V_{REF})：不同型號的 LM431 在 (I = 10 mA) 時，參考電壓有所差異，如 LM431A 為 2.44 - 2.55 V，LM431B 為 2.47 - 2.52 V，LM431C 為 2.485 - 2.51 V。
• 參考輸入電壓隨溫度的偏差 (V_{DEV})：在全溫度范圍內(nèi)，參考輸入電壓的最大變化為 8 - 17 mV。
• 參考電壓變化與陰極電壓變化的比值 (Delta V{REF} / Delta V{Z})：當(dāng) (I{Z} = 10 mA) 時，(V{Z}) 從 (V_{REF}) 到 10 V 時為 - 1.4 至 - 2.7 mV/V，從 10 V 到 36 V 時為 - 1 至 - 2 mV/V。
• 參考輸入電流 (I_{REF})：在 (R{1} = 10 kΩ)，(R{2} = ∞)，(I = 10 mA) 時，為 2 - 4 μA。
• 參考輸入電流隨溫度的偏差 (propto I_{REF})：在全溫度范圍內(nèi)為 0.4 - 1.2 μA。
• 調(diào)節(jié)所需的最小陰極電流 (I_{Z(MIN)})：當(dāng) (V{Z} = V{REF}) 時，為 0.4 - 1 mA。
• 關(guān)斷狀態(tài)電流 (I_{Z(OFF)})：當(dāng) (V{Z} = 36 V)，(V{REF} = 0 V) 時，為 0.3 - 1 μA。
• 動態(tài)輸出阻抗 (r_{Z})：在 (V{Z} = V{REF})，頻率為 0 Hz 時，LM431A 為 0.75 Ω，LM431B 和 LM431C 為 0.5 Ω。

三、功能與工作模式

功能描述

LM431 本質(zhì)上是一個精密齊納二極管，它通過將更多或更少的電流分流到地來調(diào)節(jié)輸出電壓，只需在陰極和輸入電壓之間連接一個電阻來設(shè)置輸入電流。雖然可以在輸入或輸出端使用外部電容器，但并非必需。

工作模式

• 閉環(huán)模式：這是最常用的工作模式，參考節(jié)點通過電阻分壓器連接到輸出電壓。只要 (I_{z}) 在 1 mA 至 100 mA 之間，輸出電壓就能保持穩(wěn)定。
• 開環(huán)模式：可作為比較器使用，通過另一個電壓源驅(qū)動反饋節(jié)點。

四、應(yīng)用與設(shè)計

應(yīng)用信息

在傳統(tǒng)的并聯(lián)穩(wěn)壓器應(yīng)用中，需要在電源電壓和 LM431 陰極引腳之間連接一個外部串聯(lián)電阻 (R{S})，它決定了流經(jīng)負載 (I{LOAD}) 和 LM431 (I{z}) 的電流。(R{S}) 的選擇要根據(jù)電源電壓、負載電流和輸出電壓來確定，以確保 (I{z}) 在合適的范圍內(nèi)。同時，LM431 的輸出電壓可以通過內(nèi)部參考電壓 (V{REF}) 和外部反饋電阻的比值進行調(diào)節(jié)，計算公式為 (V{O}=V{REF}^{*}(1 + R{1} / R{2}))。

典型應(yīng)用

并聯(lián)穩(wěn)壓器

設(shè)計并聯(lián)穩(wěn)壓器時，要求 (V{+}>V{0})，(V{O}=5 V)，并選擇合適的 (R{S}) 使 (1 mA < I_{Z} < 100 mA)。具體設(shè)計步驟如下：

• 確定 (R{S}) 的范圍：根據(jù) (V{+}) 的最小值和負載的最大值，計算 (R{S}) 的最大值 (R{S{-} MAX }=frac{V{+{-} MIN }-V{O}}{I_{LOADMAX }+I{Z{-} MIN }})；根據(jù) (V{+}) 的最大值和負載的最小值，計算 (R{S}) 的最小值 (R{S{-} MIN }=frac{V{+{-} MAX }-V{O}}{LOAD{-} MIN+I{Z_{-} MAX }})。
• 設(shè)置反饋電阻 (R{1}) 和 (R{2})：根據(jù) (V{O}=V{REF }^{*}(1 + R{1} / R{2}))，對于 5 V 的輸出電壓和 2.5 V 的 (V{REF})，可選擇 (R{1}=1 kΩ) 和 (R_{2}=1 kΩ)。

  其他應(yīng)用

  LM431 還可應(yīng)用于單電源比較器、串聯(lián)穩(wěn)壓器、三端固定穩(wěn)壓器的輸出控制、過壓和欠壓保護電路、電壓監(jiān)測、延遲定時器、電流限制器或電流源、恒流吸收器等電路中。

五、電源與布局建議

電源建議

雖然輸入電壓線上不需要旁路電容器，但為了減少可能影響輸出的噪聲，建議使用 0.1 μF 或更大的陶瓷電容器。

布局指南

• 盡量將外部組件靠近器件放置，如將 (R_{S}) 靠近陰極，以及輸入旁路電容器（如果使用）。
• 盡可能將反饋電阻靠近器件，以減少干擾。

六、總結(jié)

LM431 作為一款可調(diào)精密齊納并聯(lián)穩(wěn)壓器，具有溫度穩(wěn)定性好、輸出電壓可編程、多種封裝形式等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各種電子電路中。在設(shè)計過程中，我們需要根據(jù)其規(guī)格參數(shù)和工作模式，合理選擇外部組件，優(yōu)化布局，以確保電路的穩(wěn)定性和性能。希望本文能為電子工程師在使用 LM431 進行設(shè)計時提供有益的參考。你在使用 LM431 過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。