三種主要電壓分割器架構(gòu)及應(yīng)用電路設(shè)計(jì)剖析

　　單一電源有時(shí)需要加以分割成兩個(gè)或多個(gè)不一定相等的部份。在使用來自干電池或汽車蓄電池的6V、12V、15V、24V、36V或48V電源時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到這種情況。雖然市場上有精確的專業(yè)電壓分割器，但不一定能買到，或者對(duì)某些項(xiàng)目來說太過于昂貴。而且作為電壓分割器使用的IC有時(shí)無法提供所需的電流或功率。

　　所幸對(duì)于許多應(yīng)用來說，當(dāng)我們需要電壓分割器時(shí)，可以使用低成本的音頻功率放大器（PAA），如LM386、LM380、LM384、TBA820M、TDA2002、TDA2003、TDA2030、TDA2040、TDA2050與LM1875等等分割電源。這種電源分割方案特別適合于測試平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用。

　　我們可以利用音頻功率放大器，為電子設(shè)備的電源搭建低成本且非開關(guān)型的簡單電壓分割器。上述的音頻功率放大器以及其它許多組件在許多項(xiàng)目中都是大量采購的，這使得它們的使用和更換成本很低，負(fù)擔(dān)較輕。音頻功率放大器是許多制造商生產(chǎn)多年的產(chǎn)品，因此非常普及，內(nèi)部電路也是公開的，測試起來非常方便。即使受損后這些IC也很容易更換。

　　本文提到的每種電路都可順利作業(yè)，但都有一些特性，因此，在使用某種電路之前應(yīng)該先進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑u(píng)估。文中介紹的電路都很簡單，不需要復(fù)雜的重新設(shè)計(jì)或調(diào)整就能正確作業(yè)。

　　電壓分割器類型

　　一般來說有三種電壓分割器。這三種電壓分割器的架構(gòu)圖如圖1所示。

　　圖1：三種主要類型的電壓分割器方塊圖。a）有兩個(gè)輸出的電壓分割器；b）有4個(gè)輸出的電壓分割器；c）有三個(gè)虛擬接地的電壓分割器。

　　圖1a顯示最常見的電壓分割器版本。+Vin和GNDin之間的輸入電壓被分割成兩個(gè)不一定相等的部份。這兩個(gè)部份的電壓可以是固定的，也可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整。通常輸入和輸出電壓之間有少許的差別，這與具體的電壓分割器實(shí)現(xiàn)有關(guān)。

　　兩個(gè)輸出電壓分別是+V1和GNDout之間以及-V2和GNDout之間的電壓。在這種電壓分割器中，輸入和輸出電壓之間不存在隔離，輸入接地GNDin和輸出接地GNDout（有時(shí)稱為虛擬接地）之間也不直接連接。

　　圖1b顯示第二種電壓分割器的方塊圖。+Vin和GNDin之間的輸入電壓被分割成4個(gè)不一定相等的部份。這些部份的電壓可以是固定的，也可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整。在這個(gè)案例中輸入接地GNDin和輸出接地GNDout之間是直接相連的。這種應(yīng)用被稱為多輸出線性穩(wěn)壓器。

　　但需要注意的是，因?yàn)樵谶@種電壓分割器中V1、V2和V3這幾個(gè)輸出都能以推挽電路驅(qū)動(dòng)，而不用單路輸出緩沖器。這與線性穩(wěn)壓器不同，因?yàn)榫€性穩(wěn)壓器每個(gè)輸出端（輸出不是推挽電路）通常都有一個(gè)晶體管。

　　圖1c顯示第三種電壓分割器。+Vin和GNDin之間的輸入電壓被分割成不一定相等的4個(gè)部份。事實(shí)上這種應(yīng)用有三個(gè)電壓分割器，每個(gè)分割器將自己的輸入電壓分成兩個(gè)部份。每個(gè)輸出接地（GND1、GND2和GND3）都采用推挽電路驅(qū)動(dòng)。

　　值得注意的是電壓分割器輸出電壓的測量方式。在這個(gè)例子中，V1和-V2針對(duì)GND1測量，V3和-V4針對(duì)GND2測量，而V5和-V6則針對(duì)GND3進(jìn)行測量。

　　本文主要使用基于圖1a所示方塊圖電路的電壓分割器，很少使用基于圖1b的電壓分割器。

　　基于音頻放大器的模擬電壓分割器優(yōu)勢

　　現(xiàn)代工業(yè)有許多種開關(guān)型DC/DC轉(zhuǎn)換器，這些轉(zhuǎn)換器可以當(dāng)作某種電壓分割器使用。但這些組件并不一定都能長期供貨，價(jià)格可能無法負(fù)擔(dān)，或者可能產(chǎn)生大量電磁噪聲，甚至是其它缺點(diǎn)。

　　將音頻功率放大器、音頻運(yùn)算放大器（AOA）和類似的IC和音頻模塊用于電壓分割器有許多優(yōu)勢：

　　1 許多制造商生產(chǎn)音頻功率放大器已有多年歷史了。它們可以從許多經(jīng)銷商處購買到，因而已經(jīng)非常普及，而且價(jià)格低廉

　　2 音頻功率放大器的測試簡便，更換也很容易

　　3 音頻功率放大器在音頻范圍內(nèi)外的噪聲都很低，不至于產(chǎn)生大量輸出噪聲、射頻波或電磁干擾（EMI）

　　4 許多音頻功率放大器都有內(nèi)部熱保護(hù)、過流保護(hù)以及電抗性負(fù)載保護(hù)和過壓保護(hù)

　　5 許多音頻功率放大器在需要時(shí)可以方便地安裝在附加散熱器上

　　在考慮基于放大器的電壓分割器之前，首先了解基于二極管和晶體管的多種有用的電壓分割器。

　　基于二極管和齊納二極管的電壓分割器

　　我們可能需要從一般直流（DC）電源衍生而來的兩個(gè)或多個(gè)低電壓電源或參考電壓取得幾毫安的電流，而且這種電路的電源管理并不需要非常嚴(yán)格。在這些情況下，我們可以使用基于二極管、齊納二極管和并聯(lián)穩(wěn)壓器的電壓分割器。

　　現(xiàn)代工業(yè)提供種類繁多的齊納二極管，其功耗在0.3W和1.3W之間，參考電壓容差為±2%或更好。這些齊納二極管可用于實(shí)現(xiàn)某些類型的電壓分割器。圖2顯示了三種例子。

　　圖2：采用二極管和齊納二極管實(shí)現(xiàn)的電壓分割器。a）使用二極管的電壓分割器；b）使用齊納二極管的電壓分割器；c）使用兩個(gè)并聯(lián)穩(wěn)壓器（TL431）的電壓分割器。

　　圖2a顯示使用二極管的簡單電壓分割器。串聯(lián)任意合適數(shù)量的二極管或發(fā)光二極管（LED），使其可用于分路或并聯(lián)穩(wěn)壓器。在這個(gè)例子中，有兩個(gè)二極管D1和D2產(chǎn)生正輸出電壓+V1，另外個(gè)二極管D3產(chǎn)生負(fù)輸出電壓-V3。輸出接地GNDout可以是二極管之間的任何一點(diǎn)。

　　圖2b顯示采用齊納二極管的簡單電壓分割器。串聯(lián)任意合適數(shù)量的齊納二極管，使其可作為分路或并聯(lián)穩(wěn)壓器。在此例中，兩個(gè)二極管D1和D2產(chǎn)生正輸出電壓+V1和+V2，另外兩個(gè)二極管D3和D4產(chǎn)生負(fù)輸出電壓-V3和-V4。輸出接地GNDout可以是齊納二極管之間的任意一點(diǎn)。在此例中，GNDout位于D2和D3之間。齊納二極管可以采用相同或不同的種類。

　　我們可以使用像TL431這樣的并聯(lián)穩(wěn)壓器代替二極管和齊納二極管。這種解決方案的優(yōu)勢在于通過選擇電阻或微調(diào)電位器或其它組件調(diào)整輸出電壓。

　　圖2c顯示采用TL431可調(diào)并聯(lián)穩(wěn)壓器的簡單電壓分割器。在此例中，可以采用兩個(gè)TL431或LM341產(chǎn)生正輸出電壓+V1和負(fù)輸出電壓-V3。電壓V1可用微調(diào)電位器P1調(diào)節(jié)，負(fù)輸出電壓-V3可以用P2調(diào)節(jié)。

　　我們可以串聯(lián)連接任何合適數(shù)量的并聯(lián)穩(wěn)壓器，如圖2a和圖2b所示。事實(shí)上，這些穩(wěn)壓器可以被看作是可調(diào)的齊納二極管。

　　基于雙極接面晶體管的電壓分割器

　　圖2所示的電壓分割器沒有推挽輸出電路，因此在沒有負(fù)載的情況下會(huì)浪費(fèi)很多功率。我們可以使用基于雙極接面晶體管（BJT）的電壓分割器避免這個(gè)問題。當(dāng)我們需要高輸出電壓、大電流、大功率或當(dāng)我們不需要非常好的輸出電壓調(diào)節(jié)功能時(shí)，這種電壓分割器尤其適合。

　　這些電路都有推挽輸出電路和輸出電壓的簡單調(diào)節(jié)。它們類似于作為DC放大器作業(yè)的晶體管型音頻放大器電路。

　　圖3：采用晶體管搭建的簡單電壓分割器。

　　圖3顯示圍繞兩個(gè)晶體管搭建的兩個(gè)簡單電壓分割器例子。圖3a的晶體管T1和T2用于緩沖由電阻R1至R4和二極管D1與D2搭建的分壓器輸出電壓。二極管D1和D2具有溫度補(bǔ)償效果，但不是必要的。如果使用這兩種二極管，D1應(yīng)該與T1保持熱接觸，D2應(yīng)該與T2保持熱接觸。如果不使用D1和D2，那么相應(yīng)地要增加R2和R3值。

　　電阻R5、R6和R7提供簡單的局部回饋，具有微幅改善和保護(hù)電路的作用。R5要比R6和R7更大得多。電路中組件值的計(jì)算類似于射極隨耦器電路中的組件值。

　　圖3b使用3個(gè)晶體管和帶負(fù)反饋的有效輸出電壓調(diào)節(jié)電路。電阻R1和微調(diào)電位器P1提供的負(fù)反饋可穩(wěn)定輸出電壓。輸出電壓+V1和-V2由P1、R1和R2設(shè)定。D1和D2用于溫度補(bǔ)償。電阻R4和R5提供局部負(fù)反饋，并在一定程度上保護(hù)輸出晶體管T2和T3。

　　有時(shí)必須調(diào)整以及更有效地調(diào)節(jié)電壓分割器產(chǎn)生的輸出電壓。在這種情況下，我們可以使用以晶體管搭建的典型差分放大器來解決這些問題。圖4顯示基于T1至T5這5個(gè)晶體管搭建的電壓分割器。

　　圖4：在晶體管搭建的差分放大器基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)電壓分割器。

　　T1和T2用作差分放大器。T3是輸出晶體管T4和T5的放大器和驅(qū)動(dòng)器。電阻R6提供負(fù)反饋，用于穩(wěn)定輸出電壓。R7和C2并非必要的，但C1是必要的，因?yàn)樗峁┝穗娐返念l率補(bǔ)償。

　　輸出電壓+V1和-V2由R1、R2和P1進(jìn)行設(shè)定。二極管D1、D2和D3用于輸出晶體管的偏置和溫度補(bǔ)償。微調(diào)電位器P2用于調(diào)整輸出晶體管的靜態(tài)電流，如從1mA至10mA，具體取決于負(fù)載情況。電阻R4和R5提供局部負(fù)反饋，并對(duì)輸出晶體管T4和T5提供一定程度的保護(hù)。

　　采用OP和BJT的電壓分割器

　　如果負(fù)載持續(xù)變化或是不對(duì)稱，圖3和圖4所示的電壓分割器可能效果并不好。為了解決這個(gè)問題，有時(shí)采用基于單一OP（如TL071、OPA134、NE5534/A或LM741）和額外補(bǔ)充的BJT（如PN2222A+PN2907A、BD135+BD136等）設(shè)計(jì)的電壓分割器，如圖5所示。

　　圖5：采用OP和BJT設(shè)計(jì)的簡單電壓分割器。

　　輸出電壓用P1調(diào)節(jié)。這種電壓分割器作用就像DC放大器一樣，增益Av為Av=1+R4/R5。R5如果不需要可以省略，此時(shí)的增益就是單位1。該電路也可以用于隨耦器和電流緩沖器。

　　電壓分割器的輸出電流限制為50mA至2000mA，具體取決于晶體管T1和T2以及OP的輸出能力。電容C4只用于需要為OP提供外部頻率補(bǔ)償之時(shí)。大多數(shù)音頻功率放大器包含圖5所示的所有組件，因此非常適合于搭建可調(diào)整與不可調(diào)的電壓分割器。