TL431

TL431
電圧レギュレータIC
機能的に同等な簡略化された回路図
タイプ	調整可能なシャント電圧レギュレータ
導入年	1977
オリジナルメーカー	テキサス・インスツルメンツ

TL431集積回路(IC) は、 3 端子の調整可能な高精度シャント電圧レギュレータです。外部電圧分割器を使用することで、TL431 は2.495 ～ 36  Vの範囲の電圧を100  mAまでの電流で調整できます。公称 2.495 V レベルからの基準電圧の典型的な初期偏差はミリボルト単位で測定され、最悪の場合の最大偏差は数十ミリボルトで測定されます。この回路はパワー トランジスタを直接制御できます。TL431 とパワー MOS トランジスタの組み合わせは、高効率でドロップアウトが非常に少ないリニア レギュレータに使用されます。TL431 は、入力および出力ネットワークの光電子結合を備えたスイッチング モード電源用の事実上の業界標準エラー アンプ回路です。 ^{[1] [2] [3]}

Texas Instruments は1977 年に TL431 を発表しました。21 世紀になっても、オリジナルの TL431 は、多数のクローンや派生製品 (TLV431、TL432、ATL431、KA431、LM431、TS431、142ЕН19 など) とともに生産され続けています。これらの機能的に類似した回路は、ダイサイズとレイアウト、精度と速度特性、最小動作電流、安全動作領域、および特定の電圧基準で大幅に異なる場合があります。

TL431 は、安定した 2.495 V のスイッチングしきい値と明らかなヒステリシスのない理想的なnpn バイポーラ トランジスタ スイッチと機能的に同等です。この「トランジスタ」の「ベース」、「コレクタ」、「エミッタ」は、従来、リファレンス(R または REF)、カソード(C)、アノード(A) と呼ばれます。^[5]正の制御電圧 V _REFは、リファレンス入力とアノードの間に適用され、出力電流 I _CAはカソードからアノードに流れます。^[5]

機能レベルでは、TL431 には、入力制御電圧を 2.495 V の電圧リファレンスと比較するオープンループ オペアンプが含まれています。^[5]ただし、これは単なる抽象化です。両方の機能は、TL431 のフロントエンド内で密接にリンクされています。物理的な 2.495 V 電源はありません。実際の内部リファレンスは、入力エミッタ フォロワT1、T6によって駆動される 1.2 Vワイドラー バンドギャップ(トランジスタ T3、T4、T5)によって提供されます。 ^[6]これにより、カソード - アノード電圧が 2.495 V を下回り、最低でも約 2.0 V まで低下した場合でも、正しい動作が可能になります。差動増幅器は 2 つの電流源(T8、T9) で構成され、それらの電流の正の差が T10 のベースにシンクします。^[6]出力オープン コレクタトランジスタ T11 は、最大 100 mA の電流をシンクでき、逆ダイオードによって極性反転から保護されています。 ^{[4] [5]}この回路は過電流や過熱に対する保護を提供しません。^{[4] [5]}

V _REFが 2.495 V のしきい値より十分に低い場合 (電流電圧曲線のポイント A)、出力トランジスタはオフになります。フロントエンド回路に供給される残留カソード-アノード電流 I _{CA は、100 ～ 200 μA の範囲内に留まります。} ^[9] V _{REF が}しきい値に近づくと、I _{CA は}300～500 μA に上昇しますが、出力トランジスタはオフのままです。^[9]しきい値に達すると (ポイント B)、出力トランジスタが導通し (オンになり)、I _{CA は}約 30 mA/V の速度で上昇し始めます。^[9] V _{REF が}しきい値を約 3 mV 超えて I _{CA が}500～600 μA に達すると (ポイント C)、トランスコンダクタンスは1.0～1.4 A/V に急激に上昇します。^[9]このポイントを超えると、TL431 は通常の高トランスコンダクタンス モードで動作し、差動電圧からシングルエンド電流へのコンバーターモデルで簡単に近似できます。^{[1] [9]}電流は、カソードと制御入力を接続する負帰還ループが閾値を超えるあるポイントでV _{REF を安定させるまで上昇します。この点（V ref}）は、厳密に言えば、完全なレギュレータの基準電圧です。[ ^{7] [3]}あるいは、TL431は、電圧コンパレータとしてフィードバックなしで動作することも、シュミットトリガーとして正帰還付きで動作することもできます。このようなアプリケーションでは、I _{CA は}アノード負荷と電源容量によってのみ制限されます。^[10]

基準入力電流 I _{REF は}I _CAとは無関係で、ほぼ一定で、約 2 μA です。基準入力を供給するネットワークは、少なくともこの量の 2 倍 (4 μA 以上) を供給できる必要があります。REF 入力がハングした状態での動作は禁止されていますが、TL431 に直接損傷を与えることはありません。^[10]ピン間の電圧が安全限度内に収まっている限り、任意のピンの開回路、任意のピンのグランドへの短絡、または任意のピン ペア間の短絡に耐えます。^[11]

データシートに記載されている公称基準電圧 V _REF =2.495 V は、周囲温度 +25 °C (77 °F)、I _CA =10 mA でツェナー モードでテストされています。^[13]しきい値電圧と、低トランスコンダクタンス モードと高トランスコンダクタンス モードの境界は指定されておらず、テストも行われていません。^[9]実際のアプリケーションで特定の TL431 によって維持される実際の V _{REF は}、次の 4 つの要因に応じて 2.495 V よりも高くなるか低くなる可能性があります。

• 特定のチップの個々の初期偏差。TL431の異なるグレードでは、通常の状態での偏差は±0.5％、±1％、または±2％以内です。^[14]
• 温度。バンドギャップ基準電圧の熱プロットは、こぶのような形をしています。設計上、こぶは +25 °C (77 °F) を中心としており、ここで V _REF =2.495 V です。+25 °C (77 °F) より上または下では、V _{REF は}数ミリボルトずつ緩やかに減少します。ただし、特定の IC が標準から大幅に逸脱すると、こぶはより低い温度またはより高い温度にシフトします。最悪の外れ値では、こぶは単調に上昇または下降する曲線に退化します。^{[15] [12]}
• 出力インピーダンスが有限であるため、V _CA電圧の変化はトランジスタや三極管の場合と同様に、 I _{CAと間接的にV REFに影響します。一定のI CAに対して、V CA}の1 Vの上昇は、 V _REFの≈1.4 mV（最悪の場合の最大値は2.7 mV）^[13]の減少で相殺される必要があります。比率μ = 1 V / 1.4 mV ≈ 300〜1000、または≈ 50〜60 dBは、 DCおよび低周波での理論上の最大開ループ電圧ゲインです。 ^[16]
• 有限の相互コンダクタンスにより、 _ICAの上昇は_VREFを0.5～1mV/mA​​の割合で上昇させます。 ^[17]

TL431 のオープンループ周波数応答は、1 次ローパスフィルタとして確実に近似できます。支配的な極は、出力段の比較的大きな補償コンデンサによって提供されます。 ^{[16] [10]}同等のモデルには、70 nF のコンデンサでシャントされた理想的な 1 A/V 電圧-電流コンバータが含まれています。^[16]一般的なカソード負荷が 230  Ωの場合、これは 10 kHz のオープンループカットオフ周波数と2 MHz のユニティゲイン周波数に変換されます。^{[16] [18]}さまざまな 2 次効果により、実際のユニティゲイン周波数は 1 MHz に過ぎません。実際には、1 MHz と 2 MHz の違いは重要ではありません。^[18]

I _CA、V _CAのスルーレートとV _REFの安定時間は指定されていません。テキサスインスツルメンツによると、電源投入時の過渡現象は約2μs続きます。最初に、V _{CA は}すぐに≈2 Vまで上昇し、その後約1μsの間このレベルでロックします。内部容量を定常電圧まで充電するには、さらに0.5～1μsかかります。^[19]

容量性カソード負荷（C _L）は不安定性と発振を引き起こす可能性があります。^{[ 20]}元のデータシートに掲載されている安定性境界チャートによると、TL431はC _Lが1 nF未満または10 μFを超える場合に完全に安定しています。 [21] ^[22] 1 nF～10 μFの範囲内では、発振の可能性は容量、I _CA、V _CAの組み合わせによって異なります。^{[21] [22]}最悪のシナリオは、I _CAとV _CAが低い場合に発生します。逆に、TL431が最大消費電力定格に近い状態で動作する場合、I CA とV CA が高い組み合わせは完全に安定しています。_{[22] ただし、高I CA}と_高^V _CA用_に設計されたレギュレータであっても、V _{CA が}まだ定常レベルに上昇していない電源投入時に発振する可能性があります。 ^[21]

2014 年のアプリケーション ノートで、テキサス インスツルメンツは、安定性境界チャートが過度に楽観的であることを認めました。^{[22]彼らは、ゼロ}位相マージンでの「一般的な」 IC サンプルについて説明していますが、実際には、堅牢な設計では少なくとも 30 度の位相マージンを目標にする必要があります。^[22]通常、カソードと負荷容量の間に直列抵抗を挿入し、後者のESR を効果的に増加させることで、不要な振動を抑制するのに十分です。直列抵抗は、比較的低い周波数で低周波ゼロを導入し、負荷容量のみによって引き起こされた不要な位相遅れのほとんどを打ち消します。直列抵抗の最小値は、1 Ω (高 C _L ) から 1 kΩ (低 C _L、高 V _CA )の間です。 ^[23]

最も単純なTL431レギュレータ回路は、制御入力をカソードに短絡することによって作られます。結果として得られる2端子ネットワークは、安定した閾値電圧VREF≈2.5Vと約0.2Ωの低周波インピーダンスを備え_たツェナーのような電流-電圧特性を持ちます。[ 24 ]^{インピーダンス}は100kHz付近で増加し始め、約10MHzで10Ωに達します。^[24]

2.5 V を超える電圧の調整には、外部電圧分割器が必要です。分割抵抗 R2 と R1 により、カソード電圧と出力インピーダンスが何倍にも増加します。^[25]最大持続調整電圧は 36 V を超えてはなりません。最大カソード-アノード電圧は 37 V に制限されています。^[26]歴史的に、TL431 はこの用途を念頭に置いて設計および製造され、「高価な温度補償ツェナーの非常に魅力的な代替品」として宣伝されていました。^[27]${\displaystyle 1+{\tfrac {R2}{R1}}}$

エミッタフォロワを追加すると、シャントレギュレータがシリーズレギュレータに変換されます。単一のnpn型トランジスタまたはダーリントンペアではかなり高いコレクタ-エミッタ電圧降下が必要なため、効率は平凡です。 ^[28]単一の共通エミッタpnp型トランジスタは、約0.25Vの電圧降下のみで飽和モードで正常に動作できますが、ベース電流が非実用的に高くなります。^[29]複合pnp型トランジスタはそれほど多くの駆動電流を必要としませんが、少なくとも1Vの電圧降下が必要です。^[29] NチャネルパワーMOSFETデバイスは、低い駆動電流、非常に低いドロップアウト電圧、および安定性の最適な組み合わせを可能にします。^{[29]ただし、低ドロップアウトMOSFETの動作には、}ゲートを駆動するための追加のハイサイド電圧源（回路図のΔU）が必要です。^[29]デプレッションモードMOSFETを使用すると、ΔUを回避できます。

TL431を使用した閉ループレギュレータ回路は、常にI _{CA が}1mA以上（電流電圧曲線の点D）の高トランスコンダクタンスモードで動作するように設計されている。^{[8] [7] [2]}制御ループの安定性を高めるには、最適なI _{CA を}約5mAに設定する必要がありますが、全体的な効率が低下する可能性があります。^{[30] [7]}

21 世紀では、フォトカプラの発光ダイオード(LED)を搭載した TL431 が、安定化スイッチング電源(SMPS)の事実上の 業界標準ソリューションとなっています。 ^{[1] [2] [3]} TL431 の制御入力を駆動する抵抗分圧器と LED のカソードは通常、レギュレータの出力に接続され、フォトカプラのフォトトランジスタはパルス幅変調(PWM) コントローラの制御入力に接続されます。 ^[33] LED をシャントする抵抗 R3 (約 1 kΩ) は、I _{CA を}1 mA のしきい値より上に保つのに役立ちます。^[33]ラップトップ コンピュータに付属する一般的な電源/充電器では、平均 I _CAは 0.5 mA の LED 電流と 1 mA のシャント電流を含めて約 1.5 mA に設定されています (2012 年のデータ)。^[7]

TL431 を使用した堅牢で効率的かつ安定した SMPS の設計は、一般的ではあるものの複雑な作業です。^[34]最も単純な構成では、周波数補償は積分ネットワークC1R4によって維持されます。^[34]この明示的な補償ネットワークに加えて、制御ループの周波数応答は、出力平滑コンデンサ、TL431 自体、およびフォトトランジスタの寄生容量によって影響を受けます。 ^[35] TL431 は、1 つではなく 2 つの制御ループによって制御されます。1 つは、電圧分割器を使用して出力コンデンサに接続されたメインの「低速レーン」ループで、もう 1 つは LED を備えた出力レールに接続されたセカンダリの「高速レーン」です。^[36] LED の非常に低いインピーダンスが負荷された IC は電流源として動作し、望ましくない電圧リップルは、ほとんど妨げられることなく出力レールからカソードに伝わります。^[36]この「高速レーン」は中帯域周波数（約10kHz～1MHz）で支配的であり、^{[37]通常は}ツェナーダイオード^[38]またはローパスフィルタを使用してLEDを出力コンデンサから分離することで遮断されます。^[37]

最も単純なTL431ベースのコンパレータ回路では、I _{CA を}約5mAに制限するために1つの外付け抵抗が必要です。 ^[39]より低い電流での動作は、ターンオフ過渡が長くなるため望ましくありません。^[39]ターンオン遅延は、主に入力電圧としきい値電圧（オーバードライブ電圧）の差に依存します。オーバードライブが高いほど、ターンオンプロセスが高速化されます。^[39]最適な過渡速度は、10%（≈250 mV）のオーバードライブと10 kΩ以下のソースインピーダンスで達成されます。^[39]

オン状態のV _{CA は}約2 Vまで低下し、これはトランジスタ-トランジスタロジック（TTL）および5 V電源のCMOSロジックゲートと互換性があります。 ^[40]低電圧CMOS（3.3 Vまたは1.8 Vロジックなど）では、抵抗分圧器によるレベル変換が必要です。^[40]またはTL431をTLV431などの低電圧代替品に交換する必要があります。^[41]

TL431ベースのコンパレータとインバータは、リレーロジックのルールに従って簡単にカスケード接続できます。たとえば、2段階のウィンドウ電圧モニターは、次の場合にオンになります（高状態の出力から低状態の出力に切り替わります）。

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

ただし、２つのトリップ電圧間の差が十分に広くなるように、より大きいものとする。 ^[42]${\displaystyle R1/R2}$${\displaystyle R3/R4}$

本質的に不安定なTL431は、数kHzから1.5MHzの周波数範囲で電圧制御発振器として動作する可能性がある。 ^[43]このような発振器の周波数範囲と制御法則は、使用されるTL431の特定のメーカーに大きく依存する。^[43]異なるメーカーが製造したチップは通常、互換性がない。^[43]

TL431のペアは、1Hz未満から約50kHzまでの周波数範囲の対称非安定マルチバイブレータのトランジスタを置き換えることができます。[ ^44]これも、文書化されていない潜在的に危険なモードであり、入力段保護ダイオード（回路図のT2）を介してコンデンサの充電電流が定期的に流れます。^[44]

さまざまなメーカーが TL431 として販売している集積回路、または KA431 や TS431 のような類似の名称を持つ集積回路は、Texas Instruments のオリジナルとは大幅に異なる場合があります。その違いは、文書化されていないモードでテストすることによってのみ明らかになる場合もあれば、データシートで公に宣言されている場合もあります。たとえば、Vishay TL431 は異常に高い (約 75 dB) DC 電圧ゲインを持ち、100 Hz でロールオフし始めます。10 kHz を超える周波数ではゲインは標準値に戻り、標準の 1 MHz 周波数で 1 に達します。^[16] SG6105 SMPS コントローラーには、TL431 とマークされた 2 つの独立したレギュレーターが含まれていますが、それらの最大 I _CAと V _{CA は}それぞれ 16 V と 30 mA しかありません。メーカーはこれらのレギュレーターの精度をテストしていません。^[46]

廃止されたTL430はTL431の醜い姉妹品 ^{[要出典]で、テキサスインスツルメンツ社によって}スルーホールパッケージでのみ製造され、VREFは2.75Vでした_。そのバンドギャップリファレンスは熱補償されておらず、TL431よりも精度が悪く、出力段には保護ダイオードがありませんでした。^{[47] [48]} TL432は電気的にはTL431と同じで、表面実装パッケージでのみ製造され、ピン配置が異なります。^[14]

2015年にテキサスインスツルメンツ社は、非常に高効率なスイッチングレギュレータ用のTL431の改良型であるATL431を発表しました^[49]。このレギュレータのV _REFは2.495Vではなく2.5Vです。推奨される最小動作電流はわずか35μA（標準TL431：1mA）で、最大I _CAとV _{CA は}標準と同じです（100mAと36V）。^[50]ユニティゲイン周波数は、高周波リップルを減衰させてコントローラにフィードバックされないようにするために250kHzに下げられています。ATL431の不安定領域は非常に異なります。^[50]低電圧および低電流では、コンデンサが高品質で低インピーダンスのタイプであれば、実用的な容量性負荷で完全に安定しています。^{[51] [52]}直列デカップリング抵抗器の最小推奨値は250Ω（標準TL431：1Ω）である。^[53]

TL431とその後継品を除けば、2015年時点で業界で広く使用されているシャントレギュレータICは2つだけです。^[54]どちらのタイプも機能と用途は似ていますが、内部回路、基準レベル、最大電流と電圧が異なります。^[54]

• テキサスインスツルメンツのバイポーラLMV431はVREF_が1.24Vで、80μAから30mAの電流で最大30Vの電圧を調節することができる。^{[55] [56]}
• ON Semiconductorの低電圧CMOS NCP100はVREF_が0.7Vで、100μA～20mAの電流で最大6Vの電圧を調整することができます。^{[57] [58]}