Conception avec la TL431

Développer avec le TL431
Les alimentations de puissance sont constamment en train d’essayer de réduire leurs coûts.
Les prix sont actuellement à la baisse à des niveaux fou, et des compromis doivent souvent
être fait pour répondre aux objectifs de performance et de coût.
L'une des cibles de réduction des coûts est toujours la boucle d'asservissement. Les
concepteurs sont souvent tellement mis l'accent sur l’aspect de la puissance que la conception
du contrôle est souvent faite après coup, et n'est pas considérée comme cruciale pour la
performance. C'est seulement plus tard dans le processus de conception que l'importance d'un
bon contrôleur deviennent apparents.
Une des premières façons de réduire le coût de la boucle de rétroaction a été d'utiliser le
TL431 contrôleur. Bien que n'offrant pas un aussi bon gain-bande passante comme
amplificateur autonome, ce composant à trois pattes comprend une référence, il occupe un
faible espace de carte, et s'est répandue dans l'industrie comme moyen d'obtenir des
performances raisonnables, à un coût réduit.
Dans cet article de la série Designer, nous allons étudier les complications liées à l'utilisation
du TL431, surtout quand il est configuré avec un optocoupleur pour assurer l'isolement dans
la boucle de rétroaction.
1. Rétroaction à amplificateur opérationnel
Pour la meilleure performance, l'approche privilégiée pour équilibrer le contrôle de réaction
est un amplificateur d'erreur avec une référence de précision. Pour les convertisseurs non
isolé, l'amplificateur et référence et la référence peuvent être inclus dans la puce de contrôle
PWM, et ils sont généralement d'une qualité suffisante pour répondre aux normes exigeantes.
Le contrôle en mode courant est le meilleur moyen de contrôler les convertisseurs, et est
utilisé par la plupart des concepteurs d'alimentation de puissance. Pour ce type de contrôle, le
réseau de compensation optimale est un amplificateur de type II, dont un exemple est montré
dans la Figure 1. Dans cette configuration, un amplificateur opérationnel classique est utilisée
pour amplifier la différence entre la tension de sortie de l'alimentation et une tension de
référence fixe.

L'amplificateur est alimenté par un Vcc distincts, et l'opération n'est pas affectée par les
variations de la tension d'alimentation en raison du bon rapport de la réjection de
l’alimentation de puissance.
La figure 1B montre la courbe de compensation typique d'un amplificateur de type II. A basse
fréquence, le circuit se comporte comme un intégrateur, utilisant les composants C1 et R1 afin
de fournir un gain élevé. La résistance Rb fournit une régulation correcte du niveau continu,
mais en raison de la masse virtuelle à l'entrée de l'amplificateur d'erreur, elle n’apparaît pas du
tout dans les équations du gain.
A une fréquence généralement plusieurs fois inférieure à celle de la boucle fermée (gain
unitaire), un zéro est introduit dans la fonction de transférer, et le gain de bande du
compensateur est une simple expression donnée par le rapport de R2 et R1.
À fréquence supérieure, choisis en fonction des caractéristiques de l’étage de puissance, le
circuit forme à nouveau un intégrateur, le gain déterminé par R1 et C2. Le choix exact de ces
paramètres sont en dehors du champ d'application de cette article de conception, mais peut
être trouvé dans la littérature. (Si vous voulez apprendre cela parfaitement, venez à notre
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Beaucoup d'ingénieurs ont demandé au fil des ans: «Quand allez-vous mettre le TL431 dans
le logiciel de conception POWER 4-5-6 ?" Au début, j'étais un peu intrigué par cela, car il me
semblait que ça ne faisait pas de différence que vous utilisiez le TL431, ou un amplificateur
opérationnel discret et une référence. Depuis que j'ai été impliqué dans la conception d’une
alimentation de puissance de haute performance à l'époque, cela n'avait aucun sens pour moi
d'utiliser un composant de plus faible performance que les meilleurs amplificateurs
disponibles.
La figure 2 montre comment le TL431 peut être utilisé comme un amplificateur d'erreur
standard. Il existe trois différences constatées lors de l'utilisation de cette partie par rapport à
un amplificateur opérationnel standard :
1. Une résistance de pullup doit être utilisée sur la sortie. La valeur de cette résistance
doit être choisis pour assurer une polarité de courant suffisante à l'appareil dans
toutes les conditions du circuit. En outre, la sortie de l'amplificateur doit être
maintenue au-dessus d'une valeur minimale nécessaire pour fournir la polarité.

2. La référence est incluse dans le composant. C'est en fait une très bonne référence.
3. Son gain en boucle ouverte, et sa capacité à driver est inférieur à celui d'un bon ampli
op. Toutefois, si vous gardez de hautes impédances autour de l'amplificateur, il va
bien travailler.
Si le TL431 est configuré comme le montre la figure 2, et les règles ci-dessus sont respectées,
la procédure de conception est exactement la même que pour un amplificateur standard de
type II.
2. TL431 une solution avec isolation
Quand les ingénieurs ont posé cette question sur le TL431, ils ne se réfèrent généralement pas
au fonctionnement indiqué ci-dessus à la figure 2. Ils parlent du circuit qui est devenu très
répandu dans l'industrie où le TL431 est utilisé conjointement avec un optocoupleur pour
assurer l'isolement de boucle de rétroaction, comme le montre la Figure 3.
Dans ce circuit, la sortie du TL431 est alimenté à travers la résistance, R5, et la diode de
l’optocoupleur, connecté en série avec la sortie de l'alimentation. Ce changement en

apparence subtile a un effet important sur la façon dont le circuit fonctionne. Le plus gros
changement est que le gain du circuit est désormais produit par le courant dans la sortie du
TL431, et non par sa tension de sortie. Ce courant est déterminé par trois choses : le gain en
tension du TL431, la tension d'alimentation en haut de la résistance R5, et la valeur de la
résistance elle-même. Le circuit de la figure 2 est indépendant de la valeur de la résistance et
de la tension d'alimentation. Le circuit de la figure 3 est une fonction forte de ces deux
quantités.
Notez que la compensation indiquée dans le TL431 est composé de seulement un
condensateur C1. Un second condensateur, C3, représente la capacité de sortie de
l'optocoupleur, et sa réponse en fréquence. Cependant, le circuit de la figure 3 est encore un
compensateur de type II, bien que ce ne soit pas immédiatement apparent.
3. TL431 Compensation – Basse fréquence
A basse fréquence, le gain de l'amplificateur TL431, avec la résistance R1 et le condensateur
C1 formant un intégrateur, est élevé, ce qui domine la réponse. La figure 4a montre le circuit
équivalent à basse fréquence.
Le gain à partir de la sortie de l'alimentation jusqu’à la sortie de l'amplificateur d'erreur, Vx,
est donné par l'équation classique d’un intégrateur, et tracée en vert sur la figure 4b. En
traversant la limite d'isolation par l'optocoupleur, ce gain intégrateur est multiplié par le gain
en courant de l'optocoupleur, et le ratio des résistances R4 et R5. Le gain net de basse
fréquence du circuit, à partir de la sortie de l'alimentation, vers l’entrée de contrôle, Ve, est
représentée en bleu sur la figure 4b.

4. TL431 Compensation – Moyenne fréquence
À une fréquence plus élevée, le gain de l'intégrateur de l'amplificateur TL431 atteint l'unité, et
au-delà de ce point, le signal de sortie est atténué. Cependant, il y a toujours du gain entre la
tension de sortie et le courant de diode de l’optocoupleur à cause de la connexion de la
résistance R5 à la sortie de l'alimentation de puissance. Dans la bande de fréquences
moyennes, c'est la boucle de contre réaction qui domine.
La figure 5 montre le circuit équivalent dans la bande de fréquences moyennes. Le gain est
entièrement déterminée par le choix des résistances côté primaire et secondaire de
l'optocoupleur, et l'amplificateur ne fait pas partie du circuit. La fréquence de coupure de la
boucle se produit normalement dans cette gamme de fréquences, et les résistances doivent
faire partie de la première étape de la conception du circuit pour s'assurer que la fréquence de
coupure désirée est réalisée.
5. TL431 Compensation – Hautes fréquences
Aux fréquences élevées, on rencontre le point de coupure de l'opto-coupleur lui-même. Ceci
est représenté par le condensateur C3 dans le circuit de la figure 6a.
La figure 6b montre le point de coupure du gain de l'optocoupleur. Avec un bon optocoupleur,
cela peut être une fréquence élevée de plus de 10 kHz. Toutefois, le point de coupure est
fonction du niveau de courant auquel l'optocoupleur opère. Plus de courant circule dans
l’opto, plus large sera la bande passante. Il est conseillé de polariser l'optocoupleur avec des
valeurs relativement faible des résistances pour s'assurer qu'il fonctionne près de l'extrémité