LM431可调精密齐纳并联稳压器深度解析

在电子设计领域，稳压器起着至关重要的作用，它能为电路提供稳定的电压，确保电子设备的正常运行。今天，我们就来深入探讨一款广泛应用的可调精密齐纳并联稳压器——LM431。

文件下载：LM431ACM NOPB.pdf

一、LM431概述

产品特性

• 温度稳定性：LM431具有平均温度系数为 50 ppm/°C 的特性，能在全温度范围内实现温度补偿，确保输出电压的稳定性。
• 输出电压可编程：其输出电压可通过选择两个外部电阻作为分压器网络，设置在大于 2.5 V（(V_{REF})）至 36 V 的任意水平。
• 快速导通响应：能够快速响应输入电压的变化，保证电路的稳定性。
• 低输出噪声和低动态输出阻抗：有效减少电路中的噪声干扰，提高输出电压的质量。
• 多种封装形式：提供 SOIC - 8、SOT - 23 和 TO - 92 等节省空间的封装，满足不同应用场景的需求。

应用领域

• 可调电压或电流线性和开关电源：为电源电路提供稳定的电压输出。
• 电压监测：实时监测电压变化，确保电路安全。
• 电流源和吸收电路：精确控制电流的输出和吸收。
• 需要精密参考的电路：为电路提供精确的参考电压。
• 齐纳二极管替代：可替代许多齐纳二极管应用，具有更好的性能。

二、详细规格参数

绝对最大额定值

在使用 LM431 时，需注意其绝对最大额定值，超过这些值可能会对器件造成永久性损坏。例如，阴极电压最大为 37 V，参考电压最小为 - 0.5 V 等。同时，不同封装的内部功率耗散也有所不同，如 TO - 92 封装为 0.78 W，SOIC 封装为 0.81 W，SOT - 23 封装为 0.28 W。

ESD 额定值

该器件的人体模型（HBM）静电放电额定值为 ±2500 V，在使用和存储过程中需注意静电防护。

推荐工作条件

推荐的阴极电压范围为 (V_{REF}) 至 37 V，阴极电流范围为 1 mA 至 100 mA，在此条件下，器件能稳定工作。

热信息

不同封装的热阻参数不同，如 SOIC 封装的结到环境热阻 (R_{θJA}) 为 126.9 °C/W，SOT - 23 封装为 267.7 °C/W，TO - 92 封装为 162.4 °C/W。了解这些热信息有助于合理设计散热方案，确保器件在合适的温度下工作。

电气特性

• 参考电压 (V_{REF})：不同型号的 LM431 在 (I = 10 mA) 时，参考电压有所差异，如 LM431A 为 2.44 - 2.55 V，LM431B 为 2.47 - 2.52 V，LM431C 为 2.485 - 2.51 V。
• 参考输入电压随温度的偏差 (V_{DEV})：在全温度范围内，参考输入电压的最大变化为 8 - 17 mV。
• 参考电压变化与阴极电压变化的比值 (Delta V{REF} / Delta V{Z})：当 (I{Z} = 10 mA) 时，(V{Z}) 从 (V_{REF}) 到 10 V 时为 - 1.4 至 - 2.7 mV/V，从 10 V 到 36 V 时为 - 1 至 - 2 mV/V。
• 参考输入电流 (I_{REF})：在 (R{1} = 10 kΩ)，(R{2} = ∞)，(I = 10 mA) 时，为 2 - 4 μA。
• 参考输入电流随温度的偏差 (propto I_{REF})：在全温度范围内为 0.4 - 1.2 μA。
• 调节所需的最小阴极电流 (I_{Z(MIN)})：当 (V{Z} = V{REF}) 时，为 0.4 - 1 mA。
• 关断状态电流 (I_{Z(OFF)})：当 (V{Z} = 36 V)，(V{REF} = 0 V) 时，为 0.3 - 1 μA。
• 动态输出阻抗 (r_{Z})：在 (V{Z} = V{REF})，频率为 0 Hz 时，LM431A 为 0.75 Ω，LM431B 和 LM431C 为 0.5 Ω。

三、功能与工作模式

功能描述

LM431 本质上是一个精密齐纳二极管，它通过将更多或更少的电流分流到地来调节输出电压，只需在阴极和输入电压之间连接一个电阻来设置输入电流。虽然可以在输入或输出端使用外部电容器，但并非必需。

工作模式

• 闭环模式：这是最常用的工作模式，参考节点通过电阻分压器连接到输出电压。只要 (I_{z}) 在 1 mA 至 100 mA 之间，输出电压就能保持稳定。
• 开环模式：可作为比较器使用，通过另一个电压源驱动反馈节点。

四、应用与设计

应用信息

在传统的并联稳压器应用中，需要在电源电压和 LM431 阴极引脚之间连接一个外部串联电阻 (R{S})，它决定了流经负载 (I{LOAD}) 和 LM431 (I{z}) 的电流。(R{S}) 的选择要根据电源电压、负载电流和输出电压来确定，以确保 (I{z}) 在合适的范围内。同时，LM431 的输出电压可以通过内部参考电压 (V{REF}) 和外部反馈电阻的比值进行调节，计算公式为 (V{O}=V{REF}^{*}(1 + R{1} / R{2}))。

典型应用

并联稳压器

设计并联稳压器时，要求 (V{+}>V{0})，(V{O}=5 V)，并选择合适的 (R{S}) 使 (1 mA < I_{Z} < 100 mA)。具体设计步骤如下：

• 确定 (R{S}) 的范围：根据 (V{+}) 的最小值和负载的最大值，计算 (R{S}) 的最大值 (R{S{-} MAX }=frac{V{+{-} MIN }-V{O}}{I_{LOADMAX }+I{Z{-} MIN }})；根据 (V{+}) 的最大值和负载的最小值，计算 (R{S}) 的最小值 (R{S{-} MIN }=frac{V{+{-} MAX }-V{O}}{LOAD{-} MIN+I{Z_{-} MAX }})。
• 设置反馈电阻 (R{1}) 和 (R{2})：根据 (V{O}=V{REF }^{*}(1 + R{1} / R{2}))，对于 5 V 的输出电压和 2.5 V 的 (V{REF})，可选择 (R{1}=1 kΩ) 和 (R_{2}=1 kΩ)。

  其他应用

  LM431 还可应用于单电源比较器、串联稳压器、三端固定稳压器的输出控制、过压和欠压保护电路、电压监测、延迟定时器、电流限制器或电流源、恒流吸收器等电路中。

五、电源与布局建议

电源建议

虽然输入电压线上不需要旁路电容器，但为了减少可能影响输出的噪声，建议使用 0.1 μF 或更大的陶瓷电容器。

布局指南

• 尽量将外部组件靠近器件放置，如将 (R_{S}) 靠近阴极，以及输入旁路电容器（如果使用）。
• 尽可能将反馈电阻靠近器件，以减少干扰。

六、总结

LM431 作为一款可调精密齐纳并联稳压器，具有温度稳定性好、输出电压可编程、多种封装形式等优点，广泛应用于各种电子电路中。在设计过程中，我们需要根据其规格参数和工作模式，合理选择外部组件，优化布局，以确保电路的稳定性和性能。希望本文能为电子工程师在使用 LM431 进行设计时提供有益的参考。你在使用 LM431 过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。