【導讀】市場上很多的電壓分割器都是使用低成本的音頻功率放大器進行分割電源的，在電源分割方案中適合使用。本文就由名廠分享利用音頻放大器進行電壓分割的絕招。文中設(shè)計的音頻放大器設(shè)計簡單、在重新調(diào)整設(shè)計之后都能正常工作。
有時需要將單個電源分割成兩個或多個并不一定相等的部分。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昂貴。而且有時候設(shè)計作為電壓分割器使用的IC不能提供所需的電流或功率。
幸運的是，對許多應用來說當我們需要電壓分割器時，我們可以使用低成本的音頻功率放大器(PAA)(比如LM386、LM380、LM384、TBA820M、TDA2002、TDA2003、 TDA2030、TDA2040、TDA2050、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試驗系統(tǒng)使用。
我們可以圍繞音頻功率放大器為電子設(shè)備的電源搭建簡單的、低成本并且非開關(guān)型電壓分割器。上面列出的音頻功率放大器以及其它許多器件在許多項目中都是大批量采購的，這使得它們的使用和更換成本很低，負擔比較輕。
音頻功率放大器是許多制造商生產(chǎn)了好多年的產(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。受損后這些IC很容易更換。
三種類型的電壓分割器
一般來說有三種電壓分割器。這三種電壓分割器的框圖如圖1所示。
圖1a顯示了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必相等的部分。這兩個部分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現(xiàn)有關(guān)。
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沒有隔離，輸入地GNDin和輸出地GNDout(有時稱為虛地)之間沒有直接連接。
圖1b顯示了第二種電壓分割器的框圖。+Vin和GNDin之間的輸入電壓被分割成4個不必相等的部分。這些部分的電壓可以是固定的，也可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整。在這個案例中輸入地GNDin和輸出地GNDout之間是直接相連的。這種應用可以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這幾個輸出都可以用推挽電路驅(qū)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顯示了第三種電壓分割器。+Vin和GNDin之間的輸入電壓被分割成不必相等的4個部分。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分。每個輸出地(GND1、GND2和GND3)都用推挽電路驅(qū)動。
我們應該注意電壓分割器輸出電壓的測量方式。在這個例子中，V1和-V2是對GND1測量的，V3和-V4是對GND2測量的，V5和-V6是對GND3測量的。
我們主要使用基于圖1a所示框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)有許多種類的開關(guān)型DC/DC轉(zhuǎn)換器，這些轉(zhuǎn)換器可以當作某種電壓分割器使用。但這些器件并不總能長期供貨，價格可能無法負擔，也可能產(chǎn)生大量電磁噪聲，或有其它缺點。
將音頻功率放大器、音頻運放(AOA)和類似的IC和音頻模塊用作電壓分割器有許多優(yōu)勢：
●有許多制造商生產(chǎn)音頻功率放大器，并且有很多年歷史了。它們可以從許多分銷商處購買到，它們已經(jīng)非常普及，而且價格低
●音頻功率放大器的測試方便，而且需要更換也很容易
●音頻功率放大器在音頻范圍內(nèi)和范圍外都具有很低的噪聲。它們不會產(chǎn)生大量輸出噪聲、射頻波或電磁干擾(EMI)
●許多音頻功率放大器都有內(nèi)部熱保護、過流保護以及有些情況下的電抗性負載保護和過壓保護
●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
只是作為例證，在我們考慮基于放大器的電壓分割器之前，我們先來了解一下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
我們可能需要從普通直流電源派生出來的兩個或多個低電壓電源或基準電壓源獲得幾個毫安的電流，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，它們的功耗在0.3W和1.3W之間，基準電壓容差為±2%或更好。這些齊納二極管可以用于實現(xiàn)某些類型的電壓分割器。圖2顯示了三種例子。
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圖2a顯示了使用二極管的簡單電壓分割器。我們可以串聯(lián)任意合適數(shù)量的二極管或發(fā)光二極管(LED)，它們將用作分路或并聯(lián)穩(wěn)壓器。在這個例子中，有兩個二極管D1和D2產(chǎn)生正的輸出電壓+V1，另外一個二極管D3產(chǎn)生負的輸出電壓-V3。輸出地GNDout可以在二極管之間的任何一點。
圖2b顯示了采用齊納二極管的簡單電壓分割器。我們可以串聯(lián)任意合適數(shù)量的齊納二極管，它們將用作分路或并聯(lián)穩(wěn)壓器。在這個例子中，有兩個二極管D1和D2產(chǎn)生正的輸出電壓+V1和+V2，另外兩個二極管D3和D4產(chǎn)生負的輸出電壓-V3和-V4。輸出地GNDout可以在齊納二極管之間的任意一點。在這個例子中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)勢是，我們可以通過選擇電阻、或微調(diào)電位器或其它元件調(diào)整輸出電壓。
圖2c顯示了采用TL431可調(diào)并聯(lián)穩(wěn)壓器的簡單電壓分割器。在這個例子中，我們用兩個TL431或LM341產(chǎn)生正的輸出電壓+V1和負的輸出電壓-V3。電壓V1可以用微調(diào)電位器P1調(diào)節(jié)，負輸出電壓-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。
基于雙極結(jié)型晶體管(BJT)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結(jié)型晶體管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(diào)節(jié)功能時，這種電壓分割器尤其適合。
作為例子我們隨后會討論幾個簡單的應用。這些電路都有推挽輸出電路和輸出電壓的簡單調(diào)節(jié)。它們類似于作為直流放大器工作的晶體管型音頻放大器電路。
圖3顯示了圍繞兩個晶體管搭建的兩個簡單電壓分割器例子。
圖3：采用晶體管搭建的簡單電壓分割器。
圖3a中的晶體管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起到溫度補償?shù)淖饔?，但不是必須的。如果使用這兩個二極管，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提供簡單的局部反饋，可起到少許改善和保護電路的作用。R5要比R6和R7大得多。電路中的元件值計算與射極跟隨器電路中的元件值計算是相似的。
圖3b使用了3個晶體管和帶負反饋的更有效的輸出電壓調(diào)節(jié)電路。電阻R1和微調(diào)電位器P1提供的負反饋可以穩(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。
有時我們需要調(diào)整和更有效地調(diào)節(jié)電壓分割器產(chǎn)生的輸出電壓。在這種情況下，我們可以使用用晶體管搭建的典型差分放大器來解決這些問題。圖4顯示了基于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(chǔ)上設(shè)計的電壓分割器。
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)動器。電阻R6提供負反饋，用于穩(wěn)定輸出電壓。R7*和C2*不是必須的。C1是必須的，因為它要提供電路的頻率補償。輸出電壓+V1和-V2由R1、R2和P1設(shè)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(diào)電位器P2用于調(diào)整輸出晶體管的靜態(tài)電流，比如從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。
采用運放和雙極結(jié)型晶體管的電壓分割器
如果負載是變化的，或者不是對稱的，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，有時我們會使用基于單運放(如TL071、OPA134、NE5534/A或LM741)和額外補充的雙極結(jié)型晶體管(如PN2222A+PN2907A、 BD135+BD136等)設(shè)計的電壓分割器。圖5顯示了這種電壓分割器的一個例子。
圖5：采用運放和雙極結(jié)型晶體管設(shè)計的簡單電壓分割器。
輸出電壓用P1調(diào)節(jié)。這種電壓分割器工作起來像直流放大器一樣，增益Av等于Av=1+R4/R5。R5如果不需要可以省略，此時的增益就是單位1。該電路也可以用作跟隨器和電流緩沖器。
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以及運放的輸出能力。電容C4*只用于需要給運放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所示的所有元件，因此非常適合于搭建可調(diào)和非可調(diào)的電壓分割器。
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