三種主要電壓分割器架構及應用電路設計剖析

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

　　所幸對于許多應用來說，當我們需要電壓分割器時，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和實驗系統(tǒng)使用。

　　我們可以利用音頻功率放大器，為電子設備的電源搭建低成本且非開關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，負擔較輕。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該先進行適當?shù)脑u估。文中介紹的電路都很簡單，不需要復雜的重新設計或調整就能正確作業(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）有兩個輸出的電壓分割器；b）有4個輸出的電壓分割器；c）有三個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不一定相等的部份。這兩個部份的電壓可以是固定的，也可以在一定范圍內(nèi)調整。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現(xiàn)有關。

　　兩個輸出電壓分別是+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)調整。在這個案例中輸入接地GNDin和輸出接地GNDout之間是直接相連的。這種應用被稱為多輸出線性穩(wěn)壓器。

　　但需要注意的是，因為在這種電壓分割器中V1、V2和V3這幾個輸出都能以推挽電路驅動，而不用單路輸出緩沖器。這與線性穩(wěn)壓器不同，因為線性穩(wěn)壓器每個輸出端（輸出不是推挽電路）通常都有一個晶體管。

　　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個部份。事實上這種應用有三個電壓分割器，每個分割器將自己的輸入電壓分成兩個部份。每個輸出接地（GND1、GND2和GND3）都采用推挽電路驅動。

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

　　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)有許多種開關型DC/DC轉換器，這些轉換器可以當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，價格可能無法負擔，或者可能產(chǎn)生大量電磁噪聲，甚至是其它缺點。

　　將音頻功率放大器、音頻運算放大器（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、過流保護以及電抗性負載保護和過壓保護

　　5 許多音頻功率放大器在需要時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或多個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。在這個例子中，有兩個二極管D1和D2產(chǎn)生正輸出電壓+V1，另外個二極管D3產(chǎn)生負輸出電壓-V3。輸出接地GNDout可以是二極管之間的任何一點。

　　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，兩個二極管D1和D2產(chǎn)生正輸出電壓+V1和+V2，另外兩個二極管D3和D4產(chǎn)生負輸出電壓-V3和-V4。輸出接地GNDout可以是齊納二極管之間的任意一點。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電位器或其它組件調整輸出電壓。

　　圖2c顯示采用TL431可調并聯(lián)穩(wěn)壓器的簡單電壓分割器。在此例中，可以采用兩個TL431或LM341產(chǎn)生正輸出電壓+V1和負輸出電壓-V3。電壓V1可用微調電位器P1調節(jié)，負輸出電壓-V3可以用P2調節(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。事實上，這些穩(wěn)壓器可以被看作是可調的齊納二極管。

　　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，因此在沒有負載的情況下會浪費很多功率。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問題。當我們需要高輸出電壓、大電流、大功率或當我們不需要非常好的輸出電壓調節(jié)功能時，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顯示圍繞兩個晶體管搭建的兩個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具有溫度補償效果，但不是必要的。如果使用這兩種二極管，D1應該與T1保持熱接觸，D2應該與T2保持熱接觸。如果不使用D1和D2，那么相應地要增加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電路的作用。R5要比R6和R7更大得多。電路中組件值的計算類似于射極隨耦器電路中的組件值。

　　圖3b使用3個晶體管和帶負反饋的有效輸出電壓調節(jié)電路。電阻R1和微調電位器P1提供的負反饋可穩(wěn)定輸出電壓。輸出電壓+V1和-V2由P1、R1和R2設定。D1和D2用于溫度補償。電阻R4和R5提供局部負反饋，并在一定程度上保護輸出晶體管T2和T3。

　　有時必須調整以及更有效地調節(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上設計電壓分割器。

　　T1和T2用作差分放大器。T3是輸出晶體管T4和T5的放大器和驅動器。電阻R6提供負反饋，用于穩(wěn)定輸出電壓。R7和C2并非必要的，但C1是必要的，因為它要提供了電路的頻率補償。

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

　　采用OP和BJT的電壓分割器

　　如果負載持續(xù)變化或是不對稱，圖3和圖4所示的電壓分割器可能效果并不好。為了解決這個問題，有時采用基于單一OP（如TL071、OPA134、NE5534/A或LM741）和額外補充的BJT（如PN2222A+PN2907A、BD135+BD136等）設計的電壓分割器，如圖5所示。

　　圖5：采用OP和BJT設計的簡單電壓分割器。

　　輸出電壓用P1調節(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提供外部頻率補償之時。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整與不可調的電壓分割器。