一种基于TL431 输入过压保护电路的应用

谢芳，韦颖，丁轲

（1.安徽三联学院 电子电气工程学院，安徽 合肥 230601；2.合肥华耀电子工业有限公司，安徽 合肥 230000）

在电气指标满足正常使用要求的条件下，为使电源在突发故障情况下仍能安全可靠地工作，必须设计多种保护电路，如防浪涌的软启动电路，防过压、欠压、过热、过流、短路、缺相等保护电路[1].

随着电子技术的发展，机载设备中越来越多地使用直流分机冷却设备，输入过压保护是保证直流风机设备安全运行不可或缺的条件[2].直流风机设备长时间工作在过压条件下，受到的危害主要表现在器件因承受电压应力超标而受损或损坏，直流风机使用寿命降低[3].因为直流风机冷却系统失效导致整机设备工作中热积累引起系统过温保护无法长时间稳定工作[4].因此，最早推出的是使用传统的DC/DC 开关变换器大规模集成电路的方式，将载机输入DC28 V 隔离稳压DC24 V 等电压品种给直流风机供电.这种传统供电方式以牺牲整机资源（如整机效率、功率密度、电磁兼容性等）为代价[5].

本文提出以可控精密稳压源TL431 为核心的过压保护电路在直流风机领域的应用，既能满足机载整机效率、功率密度和电磁兼容性等要求，同时避免后端风机受输入过压损坏，保证风机安全可靠运行，提高系统可靠性，实验结果验证了该设计的可行性.

1 可控精密稳压源TL431 工作原理

可控精密稳压源TL431 集成电路是三端可调并联稳压器，在高精度稳压领域中逐渐替代传统齐纳二极管，因为TL431 内部包含一个温度稳定和精度高的误差放大器的基准电压，其典型电压值为2.495 V（基准的范围为2.483～2.507 V)，为反向输入端提供偏置[6]，其功能框图见图1.

图1 TL431 的功能框图

根据功能框图，TL431 是输出驱动双极型晶体管，当参考电压低于2.495 V 时，双极型晶体管保持关断；但当参考电压高于2.495 V 时，双极型晶体管开始导通[7].

根据原理TL431 可以作为比较器使用[8]，当基准电压超过2.495 V 时，阴极电压降低到约2 V；当基准电压低于2.495 V 时，阴极电压通过调节R1和R2的电阻值实现在2.5～2.6 V 范围内任意值[9]（见图2），其输出表达式：VKA=（1+R1R2）×Vref，其中需要保证IKA值在1～100 mA 范围内[10]，其表达式

图2 输出电压调节电路

2 基于TL431 的直流风机过压保护电路设计

2.1 电路设计

根据TL431 工作原理，本文设计一种基于TL431 的输入过压保护电路并应用在机载28 V 直流风机领域，输入过压保护电路原理设计见图3.其中器件位号R1，，R3串联电阻构成输入电压采样电路，基准参考端电压值Vref表达式

图3 基于TL431 的直流风机输入过压保护电路原理

当输入电压在设置电压范围内，使基准参考端电压值Vref小于2.495 V，TL431 的双极型晶体管处于截止状态，输出电压VKA表达式

因稳压管V2和V3钳位功能，同时VKA会超过稳压管钳位电压，此时输入电压在后端设备允许的供电范围内，MOS 管导通VGS电压高于开启电压阈值，风机正常工作.

当输入电压超过设置电压范围，使基准参考端电压值Vref大于2.495 V 时，阴极电压VKA降低到约2 V，此时因稳压管V2钳位功能，使MOS 的VGS电压小于1 V，电压阈值，MOS 管截止，风机停止工作.

2.2 电路参数设计

目前，直流风机有很多种，本文应用实例使用机载直流风机为DC24 V，输入最大供电电压为DC32 V.因此，输入过压保护点设置在31.5 V，输入电压值大于31.5 V 时，风机停止工作；输入电压恢复到31.5 V以内时，风机正常工作，电路参数为：

因风机工作高温环境，额定电流10 A，输入电压峰值到50 V，开关管V4选用N 沟道增强型MOS，型号为IPB017N10N5（ID=180 A,VDS=100 V,VGS=±20 V），及超低导通阻抗RDS=1.7 mΩ降低导通损耗，保证高温环境下MOS 管正常工作.

因基准电压超过2.495 V 时，VKA约等于2 V，临近MOS 管门限阈值，使MOS 临界导通，而此时输入电压处于过压状态，导致后端风机损坏.因此，在MOS 管V4的栅极反串一个稳压管V2（稳压值2 V），防止上述情况发生.

因MOS 管VGS电压范围为±20 V，所以在栅极和源极之间并联一个稳压二极管（稳压值为15 V），保护栅极和源极之间过压损坏.

因过压保护点设置为31.5 V，TL431工作电流IKA范围为1～100 mA，同时考虑供电输入正常范围18～31.5 V，R1阻值为8.2 kΩ，阻值为680 Ω，R3阻值为1.2 kΩ，R4阻值为5.1 kΩ.

根据式（1）～（3）可以得出，在设置输入范围内（18～31.5 V），Vref计算值（1.423～2.49 V）、VKA计算值（11.95～20.92 V）、IKA计算值（1.18～2.08 mA）满足器件工作条件.

因后端负载为风机，为感性负载，电流不能突变，过压保护时MOS 关断，此时风机中电流无法突然变化，产生一个与输入电压方向相向的感应电动势，需要提供该能量释放回路，否则会损伤MOS.所以在风机两段并联一个反向二极管，实现当电路进入过压保护时，释放风机中能量.

根据分析可以得出电路参数设置合理，满足使用要求，并实验验证.

3 实验结果

实验测试台由直流稳压电压1台（要求输入电压从0～50 V 可调）、四通道示波器1 台（电压探头2支）、电子负载和过压保护电路产品1只组成.采用示波器的通道1 测量过压保护电路的输入电压波形，示波器通道2 测量过压保护电路中三端稳压器（TL431）V1的Vref电压波形（见图4）.

图4 实验测试台

3.1 过压测试结果

直流稳压电源输入电压以1 V 步进从28 V 上升到32 V，此时输入参考端电压2.53 V，超过基准参考电压值2.495 V，VKA电压约为2 V，MOS 管V4处于截止状态，此时输入电压全部加在MOS 的漏源之间，风机停止工作.实验测试结果见图5.

图5 输入电压32 V 时风机两端电压值

当输入电压Vin由32 V 降低到28 V 时，根据式（2）可以计算三端稳压器（TL431）V1控制参考端电压Vref从2.5 V 下降到2.2 V，低于基准参考电压值2.495 V，此时双极型晶体管处于截止状态.根据式（3）可以得到，VKA电压值为18.593 V，MOS 管栅源电压为15 V，MOS 管V4导通，MOS 管漏源间电压近似为0 V，风机F1两端电压近似输入电压值，此时风机正常工作.实验测试结果见图6.

图6 输入电压28 V 时风机两端电压值

根据测试结果，输入电压过压时电路进行过压保护，保证后端用电设备风机运行的安全性.输入电压0～32～28 V 电路工作过程见图7.

图7 输入电压0～32～28 V 过电压 VKA 变化

根据实验结果，可以得出该电路具有输入过压保护功能，且当输入过压现象消失，恢复到设置电压范围后电路自恢复正常工作.

3.2 过压保护时间

当输入电压为32 V 时的电路过压保护动作时间见图8.当输入电压从0 V 升到32 V 时，电路过压保护时间为10 ms.

图8 输入电压32 V 时过压保护时间

当输入电压为33 V 时的电路过压保护动作时间见图9.当输入电压从0 V 升到33 V 时，电路过压保护时间为2.6 ms.

图9 输入电压33 V 时过压保护时间

综上所述，当输入电压在32 V 时，过压保护响应的时间只有10 ms；当输入电压在33 V 时，过压保护响应的时间只有2.6 ms.由此可见，当输入电压升得越高，过压保护电路的响应时间就越快，有效降低了电压尖峰在后端用电设备上的能量积累，提高风机使用寿命.

4 结语

本文基于TL431 设计了一种应用在机载直流风机供电的输入过压保护电路，该电路具有结构简单、环境适应性强、成本低等特点，还具有随着输入电压的升高，过压保护的响应速度越快，能降低过压瞬态在风机上的能量累积的特性.输入过压保护电路采用低导通内阻增强型MOS 为开关管，可以有效地降低风机正常工作时的能量损耗.同时，MOS 管根据输入电压值工作在低频开关状态，相比较传统的DC-DC 模块在高频开关噪声方面具有更好的电磁兼容性.