|
|
有时需要将单个电源分割成两个或多个并不一定相等的部分。在使用来自干电池或汽车蓄电池的6V、12V、15V、24V、36V或48V电源时经常会遇到这种情况。虽然市场上有精确的专业电压分割器，但不一定能买到，或者对某些项目来说太过昂贵。而且有时候设计作为电压分割器使用的IC不能提供所需的电流或功率。: v' {+ @9 {) W" P1 O$ c* X
7 M9 E& n. P* \; I7 ~$ Q1 r幸运的是，对许多应用来说当我们需要电压分割器时，我们可以使用低成本的音频功率放大器(PAA)(比如LM386、LM380、LM384、TBA820M、TDA2002、TDA2003、 TDA2030、TDA2040、TDA2050、LM1875等等)分割电源。这种电源分割方案特别适合于测试平台和试验系统使用。& s, C3 h& F( p, ^! T
2 J& Q R" z( i我们可以围绕音频功率放大器为电子设备的电源搭建简单的、低成本并且非开关型电压分割器。上面列出的音频功率放大器以及其它许多器件在许多项目中都是大批量采购的，这使得它们的使用和更换成本很低，负担比较轻。
, T$ ]3 |, {1 {* { {2 V% n% o( P+ W: V
音频功率放大器是许多制造商生产了好多年的产品，因此非常普及，内部电路也是公开的，测试起来非常方便。受损后这些IC很容易更换。
) U$ y _; @7 y/ m4 h# n9 x
& G0 {$ a' J$ ?) j* r# i8 N: t本文提到的每种电路都是可工作的，但都有一些特殊性，因此，在使用该种电路之前应该进行适当的评估。文中介绍的电路都很简单，不需要复杂的重新设计或调整就能正确工作。9 W: f/ ~7 H, X. p! Z- Y
/ Y Y# B8 m8 z
三种类型的电压分割器7 W$ G/ }3 G: Q0 N; b
7 f# q9 [* t, M7 |/ u% a- @; Q! d! ?一般来说有三种电压分割器。这三种电压分割器的框图如图1所示。
+ [$ c, v' \4 v! h& {% f8 U% u) K$ P% e8 i1 p
 / l) G7 x: {, f2 W
图1：三种主要类型的电压分割器的常用框图。a)有两个输出的电压分割器；b)有4个输出的电压分割器；c)有三个虚地的电压分割器。
( k! B; [7 P5 G: ?2 ^" ^) b M+ e# Z1 E( p, ^3 F
图1a显示了最常见的电压分割器版本。+Vin和GNDin之间的输入电压被分割成两个不必相等的部分。这两个部分的电压可以是固定的，也可以在一定范围内调整。通常输入和输出电压之间有少许的差别，这与具体的电压分割器实现有关。/ c) c; S8 k' y
& C6 m8 d* l7 p0 A* `" p
两个输出电压分别是+V1和GNDout之间以及-V2和GNDout之间的电压。在这种电压分割器中，输入和输出电压之间没有隔离，输入地GNDin和输出地GNDout(有时称为虚地)之间没有直接连接。
2 h. N; `9 d, [
' g# }0 w1 i2 x) N: F- i/ f图1b显示了第二种电压分割器的框图。+Vin和GNDin之间的输入电压被分割成4个不必相等的部分。这些部分的电压可以是固定的，也可以在一定范围内调整。在这个案例中输入地GNDin和输出地GNDout之间是直接相连的。这种应用可以被称为多输出线性稳压器。1 {1 w- J" ]* Q
& r% m; |! G1 F, D
但需要注意的是，因为在这种电压分割器中V1、V2和V3这几个输出都可以用推挽电路驱动，而不用单路输出缓冲器。这与线性稳压器不同，因为线性稳压器每个输出端(输出不是推挽电路)通常都有一个晶体管。
! ~# c, g! Y1 o& U9 u+ Q& V# f0 Y' w5 _& q
图1c显示了第三种电压分割器。+Vin和GNDin之间的输入电压被分割成不必相等的4个部分。事实上这种应用有三个电压分割器，每个分割器将自己的输入电压分成两个部分。每个输出地(GND1、GND2和GND3)都用推挽电路驱动。2 K' [+ L6 d; l7 H: v9 W, n
+ a6 ]$ ^. T y0 ], |2 }我们应该注意电压分割器输出电压的测量方式。在这个例子中，V1和-V2是对GND1测量的，V3和-V4是对GND2测量的，V5和-V6是对GND3测量的。
9 d# G* G0 }) t2 h8 z! k, B% s p! c. J# w B
我们主要使用基于图1a所示框图电路的电压分割器，很少使用基于图1b的电压分割器。3 G5 u8 V% Y2 J( P- I( n
; `. b0 U5 i. G& o
基于音频放大器的模拟电压分割器优势
$ D1 O' m5 R9 N0 E
2 V- O, ]7 C' y1 E+ C现代工业有许多种类的开关型DC/DC转换器，这些转换器可以当作某种电压分割器使用。但这些器件并不总能长期供货，价格可能无法负担，也可能产生大量电磁噪声，或有其它缺点。
7 j: B! P% G, I2 D6 Z3 X: x' u2 [. L( S
将音频功率放大器、音频运放(AOA)和类似的IC和音频模块用作电压分割器有许多优势：
- t- y) F5 B |4 @7 o9 E7 z8 v% b( C$ s! b# B! t
●有许多制造商生产音频功率放大器，并且有很多年历史了。它们可以从许多分销商处购买到，它们已经非常普及，而且价格低
, g0 Q1 m1 l g
" {# C4 Z4 ]9 m0 A" ?; b( U●音频功率放大器的测试方便，而且需要更换也很容易
' y7 d9 @' `6 ~8 s+ C
; D) j e/ ?. S9 w! j" x3 [●音频功率放大器在音频范围内和范围外都具有很低的噪声。它们不会产生大量输出噪声、射频波或电磁干扰(EMI)
* Y' }6 v6 O: D9 N& z. p% n) g1 V- {) W# I* ?
●许多音频功率放大器都有内部热保护、过流保护以及有些情况下的电抗性负载保护和过压保护
% P8 F7 a+ l" V% h8 k
( J* N% W3 v! J% Y( K●许多音频功率放大器在需要时可以方便地安装在附加散热器上- B) M- v8 _! U0 R; l2 u2 C1 o+ i
1 a' r3 o7 ~0 [ r) O+ I只是作为例证，在我们考虑基于放大器的电压分割器之前，我们先来了解一下基于二极管和晶体管的多种有用的电压分割器。- s5 Q! u+ S" n$ @
p- w$ a, a% d' ^
, l5 G8 R% b- g' `3 Q' x
基于二极管和齐纳二极管的电压分割器
+ K; O. \2 G( D5 {5 P# Q& ~4 S _6 G3 L/ J4 u; W( S
我们可能需要从普通直流电源派生出来的两个或多个低电压电源或基准电压源获得几个毫安的电流，而且这种电路的电源管理并不需要非常严格。在这些情况下，我们可以使用基于二极管、齐纳二极管和并联稳压器的电压分割器。
9 w$ J! f8 Y. s4 z" E: M
% U( H* z0 {& S; Z7 j! f现代工业提供种类繁多的齐纳二极管，它们的功耗在0.3W和1.3W之间，基准电压容差为±2%或更好。这些齐纳二极管可以用于实现某些类型的电压分割器。图2显示了三种例子。
4 ?8 Z0 x5 L# z5 d% T7 }: I. M% y8 L7 e3 w( j7 J) s
 / s0 f- o9 @9 P6 p
图2：采用二极管和齐纳二极管实现的电压分割器。a) 使用二极管的电压分割器；b)使用齐纳二极管的电压分割器；c)使用两个并联稳压器(TL431)的电压分割器。3 Z5 v1 t O6 L6 n% ^1 C" {
/ G3 O( J( i; U8 {) S. N" h
图2a显示了使用二极管的简单电压分割器。我们可以串联任意合适数量的二极管或发光二极管(LED)，它们将用作分路或并联稳压器。在这个例子中，有两个二极管D1和D2产生正的输出电压+V1，另外一个二极管D3产生负的输出电压-V3。输出地GNDout可以在二极管之间的任何一点。 D0 @+ X, q9 s ^( p( S% P6 `/ C9 h
0 ?! }, }& R# [+ q4 c7 l图2b显示了采用齐纳二极管的简单电压分割器。我们可以串联任意合适数量的齐纳二极管，它们将用作分路或并联稳压器。在这个例子中，有两个二极管D1和D2产生正的输出电压+V1和+V2，另外两个二极管D3和D4产生负的输出电压-V3和-V4。输出地GNDout可以在齐纳二极管之间的任意一点。在这个例子中GNDout位于D2和D3之间。齐纳二极管可以采用相同或不同的种类。+ ], O( W" e4 E& p
& l" A) y4 Z/ u* p
我们可以使用像TL431这样的并联稳压器代替二极管和齐纳二极管。这种解决方案的优势是，我们可以通过选择电阻、或微调电位器或其它元件调整输出电压。! N6 M; S0 } s2 s3 T3 Z+ b) Q
2 J+ L' z& R& @+ t图2c显示了采用TL431可调并联稳压器的简单电压分割器。在这个例子中，我们用两个TL431或LM341产生正的输出电压+V1和负的输出电压-V3。电压V1可以用微调电位器P1调节，负输出电压-V3可以用P2调节。2 M A5 `& ?) n1 D6 D' p5 f
" n; r9 x5 ]* U; E0 U) t" w我们可以串联连接任何合适数量的并联稳压器，如图2a和图2b所示。事实上，这些稳压器可以被看作是可调的齐纳二极管。
. k( A: u/ Z/ }, f4 h I0 U% ^8 S7 _6 ~6 Z5 h
7 {7 F* I$ D8 [
基于双极结型晶体管(BJT)的电压分割器8 x. c9 h4 p1 C! C( H: E
( y5 s- _9 E* D- B. Q
图2所示的电压分割器没有推挽输出电路，因此在没有负载的情况下会浪费很多功率。我们可以使用基于双极结型晶体管的电压分割器避免这个问题。当我们需要高输出电压、大电流、大功率或当我们不需要非常好的输出电压调节功能时，这种电压分割器尤其适合。
9 M6 }' t9 p- d8 j) N6 s8 o3 h; h3 Q' I8 j& [4 p( P
作为例子我们随后会讨论几个简单的应用。这些电路都有推挽输出电路和输出电压的简单调节。它们类似于作为直流放大器工作的晶体管型音频放大器电路。/ v: w3 w9 U9 u: q, I* W- ]
$ l% @; H0 C0 R2 E4 V9 i' W# [$ b
图3显示了围绕两个晶体管搭建的两个简单电压分割器例子。
) F' _* p) K% L0 o' X2 ? T
% m ^# F( f' D9 Y
' C# b! r; n' P0 q9 v图3：采用晶体管搭建的简单电压分割器。" C- R9 a& h6 ?# P7 D2 G( g
/ R5 m1 n; ]9 M5 a- p' V9 E( T图3a中的晶体管T1和T2用于缓冲由电阻R1至R4和二极管D1与D2搭建的分压器输出电压。二极管D1和D2起到温度补偿的作用，但不是必须的。如果使用这两个二极管，D1应该与T1保持热接触，D2应该与T2保持热接触。如果不使用D1和D2，那么相应地要增加R2和R3值。
# m: b2 [' e/ z* m" l; ?2 ~" q; f6 Z# s8 H7 ~: R" M
电阻R5、R6和R7提供简单的局部反馈，可起到少许改善和保护电路的作用。R5要比R6和R7大得多。电路中的元件值计算与射极跟随器电路中的元件值计算是相似的。
/ F, s9 Z1 G& G8 _7 t1 _; e4 `# {; q. Y3 I2 _
图3b使用了3个晶体管和带负反馈的更有效的输出电压调节电路。电阻R1和微调电位器P1提供的负反馈可以稳定输出电压。输出电压+V1和-V2由P1、R1和R2设定。D1和D2用于温度补偿。电阻R4和R5提供局部负反馈，并在一定程度上保护输出晶体管T2和T3。7 y; B4 X: u6 j* t
l! J5 e2 s c4 I# L有时我们需要调整和更有效地调节电压分割器产生的输出电压。在这种情况下，我们可以使用用晶体管搭建的典型差分放大器来解决这些问题。图4显示了基于T1至T5这5个晶体管搭建的电压分割器。
% ~+ ^2 _! j* x K& P: Z+ J- Q1 z4 K9 _
 ' T" j v5 w& i: R- o5 k
图4：在晶体管搭建的差分放大器基础上设计的电压分割器。
g" F. D/ s Y v9 F, }, Z" x, a
T1和T2用作差分放大器。T3是输出晶体管T4和T5的放大器和驱动器。电阻R6提供负反馈，用于稳定输出电压。R7*和C2*不是必须的。C1是必须的，因为它要提供电路的频率补偿。
. Y1 }4 S# j) ]$ u( o0 ?. m: W) d# R! O! E9 w
输出电压+V1和-V2由R1、R2和P1设定。二极管D1、D2和D3用于输出晶体管的偏置和温度补偿。微调电位器P2用于调整输出晶体管的静态电流，比如从1mA至10mA，具体取决于负载情况。电阻R4和R5提供局部负反馈，并对输出晶体管T4和T5提供一定程度的保护。
) y2 V5 O! R0 ~1 e5 E/ M) z8 z6 n( }
采用运放和双极结型晶体管的电压分割器
N- o+ |/ h' l2 q! [9 L7 x
8 ?! x2 j- ?' V- {如果负载是变化的，或者不是对称的，图3和图4所示的电压分割器可能效果并不好。为了解决这个问题，有时我们会使用基于单运放(如TL071、OPA134、NE5534/A或LM741)和额外补充的双极结型晶体管(如PN2222A+PN2907A、 BD135+BD136等)设计的电压分割器。图5显示了这种电压分割器的一个例子。* }. x/ f( G, k. S+ m
5 E. S7 ~2 G. C9 Z; Z
 $ t9 _$ b& w% c6 W- e [2 H% p
图5：采用运放和双极结型晶体管设计的简单电压分割器。" V2 G, v' _+ r: C( U- s
, t8 W/ N5 K+ U+ {; M% p
输出电压用P1调节。这种电压分割器工作起来像直流放大器一样，增益Av等于Av=1+R4/R5。R5如果不需要可以省略，此时的增益就是单位1。该电路也可以用作跟随器和电流缓冲器。3 q% U* X' Y. m9 S' T3 u4 l. F
- g; a& y1 X$ Y6 m4 h* _1 m
电压分割器的输出电流限制为50mA至2000mA，具体取决于晶体管T1和T2以及运放的输出能力。电容C4*只用于需要给运放提供外部频率补偿之时。大多数音频功率放大器包含图5所示的所有元件，因此非常适合于搭建可调和非可调的电压分割器。4 f0 F8 j% O4 o! H# R* e2 }, j
|
|
