双电源供电最常用在信号调理电路中,许多经典的运放电路都是双电源供电的,在双电源下,信号在地的上下有相等的活动范围,分析方便,而且也符合信号本身的特性。但是我们日常用的电源(如电池,USB,直流稳压源等)都是单电源,双电源并不是很容易得到。
虽然可以通过对信号加偏置的方式让运放工作在单电源下(运放的单电源供电方法这里就不说了),但是在某些场合中,偏置会给后级造成其他影响或者芯片必须要双电源才能工作,就要使用双电源供电了。双电源虽然比单电源麻烦一点但也不是那么麻烦,于是整理了13种常见的产生双电源的方法,以便在实际的电路中选择最适合的方法。
产生双电源有三种思想:一是本来就是两个非共地的电源进行组合;二是在已有电源轨中找一个阻抗低的电压中位点,形成VCC,VCC/2和GND的三个端输出,并重新把VCC/2定义成地;三是制造负电位,补齐另一半。
CASE 1
如果设备是电池供电的,只要电压合适,就可以用这种方法做双电源。此方法优点是电路简单可靠,同时纹波特别小,功率强劲。
CASE 2
很明显它就是用电阻分压得到电压中位点,此方法用在一些小功率的场合。优点是电路简单可靠纹波低。缺点是效率很低,输出电压也不稳定。
CASE 3
此拓扑使用互补晶体管(图腾柱)代替了上一方案的电阻,运放作为反馈元件控制着输出电压为VCC/2。优点是效率和输出功率都有了很大提升,缺点是电路略复杂。
CASE 4
这个直接看上去就是一个电压跟随器,用功率运放TDA2030取代了上一方案的“运放+图腾柱”的拓扑。TDA2030 最高可输出18W,可满足中小功率的需求。此方法电路简单,纹波小。
CASE 5
使用集成三端线性稳压器来得到新的地。7805的输出是5V,7905的输出是-5V,新的地是7805与7905共同作用的结果。当然7809与7909,7812与7912……都同样适用。
CASE 6
此方案与方案5类似,只是用在交流输入的场合。
CASE 7
此方案是方案5的改进,这个方案依旧体现了制造电压中位点的思想。无论何种方式,只要能得到一个可以进行功率输出的电位点(相比之下方案2中的中位点就不能进行功率输出),就可以当成电源用。电路简单,纹波小,用在中小功率场合。
CASE 8
此方法通过一种特殊的整流的方式得到双电源,它把交流中正的部分送至VCC,把负的部分送至-VEE。这是利用交流输入得到双电源最简单的方法,且功率强劲。
CASE 9
这种方法是通过制造负电压得到双电源。它利用隔离电源的隔离作用摆脱了输入与输出之间共地的束缚,使在隔离电源的输出端可像电池一样自由的组合。直接把两个隔离电源的输出串联,就可以得到双电源。其效率与最大输出功率由隔离电源模块决定,现在市面上的成品隔离电源模块功率有数瓦,效率在70%以上,同时价格便宜。
CASE 10
方案10是对方案9的一种改进。在方案9中,输出的地与输出的地也是隔离的,然而这一点我们并不需要,如果我们舍弃这一点,我们就可以只用一个隔离电源。如图,把输出的正极与输入的负极相连,那么输出的负极就是负电压。这相当于把输出与输入串联了,方法巧妙。这是最常用的方案,电路简单,纹波小,功率充足。成品隔离电源模块还带有稳压和各种保护功能,同时价格也不贵,因此使用最为频繁。
CASE 11
方案11的思路与方案9是相似的,都是隔离电源的思想。在AC-DC应用中,可以使用此方案,但它又比方案8复杂,因此除非有四个抽头的变压器,否则不建议用此方法。
CASE 12
我们知道升降压拓扑输出极性与输入相反,因此我们可以利用这一点产生负电压。使用此方案需要制作一个开关电源,效率和输出功率却可以很高,此方法适用于大功率场合,缺点是电路和控制较复杂,纹波大。
CASE 13
方案13就是专用芯片,即单电源转双电源的专用芯片。从上到下三张原理图的主角分别是TI的TPS65133,DCPA10505D和凌特的LT3471。
总结一下13种设计方案,有的用再DC输入场合,也有的用在AC输入场合。方案4和方案10最常用。
方案1,9,11是两个独立的电源组合的思想,方案10,12是制造负电位的思想,剩下的全都是制造电压中位点的思想,制造电压中位点的方法也的确最多也最灵活。
对于给运放的电源,只要电源轨的区间能够覆盖运放的需求即可,不一定正负对称。
不限于这些方法,在设计中本着这三个思想,利用电路中已有的资源进行最优设计。