如何从单输出电源获得正、负电压轨

假设我们有一个运算放大器电路,需要+/- 12 VDC电压轨。当我们所拥有的只是如图1所示的可变24 VDC电源时,我们如何提供互补输出?

在你说做不到之前,先考虑一下电源是如何构造的。台式电源,如B&K Precision1550是专为浮动输出。在理想的情况下,地面和黑色和红色直流输出之间没有电气连接。这样的电源就像一个电池,我们可以自由地以任何我们选择的方式连接端子。

技术贴士 :直流电源和电池之间的类比是不完整的。与电池不同,通用型直流电源不会接受反向充电电流。很多电源都有反向电压(二极管)保护。有些电源将输出电压箝位到内部直流导轨上。在极端情况下,反向电流会造成不可逆的电源损坏。

1 :带阻性中心抽头的单输出稳压电源图片,提供正、负电压。

由于我们的电源完全能够提供浮动的24 VDC,因此所需的分路+/- 12 VDC是一个参考问题。我们可以使用电阻来提供虚拟地;同样,要理解电源输出是浮动的。中心抽头解决方案如图2所示,同时还有一个稍微不平衡的负载。输出相当好地平衡,电压轨相对于地为12.5和-11.5 VDC。

2 :显示24 VDC电源输出如何中心抽头以提供+/- 12 VDC的原理图。

限制

这种技术有一些严重的局限性。最重要的限制是负载的正、负电流需求之间的平衡。这对电阻的选择有重要的影响。例如,如果负载完全平衡,正负负载绘制相同的电流,则中心抽头电阻可能具有高值,例如10 kΩ。另一方面,如果存在很大的失配,则抽头电阻的值必须很低。事实上,为了保持电压平衡,可能需要“燃烧”大量的能量。

示例1

我们的第一个例子取自图2。这里恒流源表示的负载稍微不平衡,负载从正轨要求2 mA,从负轨要求3 mA。

我们可以在模拟器中输入这些值来查看结果,就像我在这个MultisimLive示例中所做的那样。另一种解决方案是重新学习电路理论教科书,并使用超节点方法求解系统。图2电路的解决方案如图3所示。在这个例子中,电路被重新绘制成传统的教科书配置,浮动电源顶部和中心。公共接地节点被移到原理图的底部。

3 :不平衡系统中轨电压的手绘原理图和超节点方程求解。

示例2:

假设负载分别改变为100mA和200mA。让我们假设抽头电阻必须消耗至少十倍的负载电流。有了这个规定,我们把抽头电阻设为50 Ω。我将把它留给你来解决这个方程,但是你的结果应该显示在14.5和-9.5 VDC的轨道。

如果这种不平衡是不可接受的,我们可以切换到25 Ω对。铁轨现在在13.25和10.75 VDC。我们可以继续降低阻力来改善平衡。

但是,这里有一个问题:

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图1中显示的那些小的½W电阻必须增加到10w器件-允许2倍的安全裕度。它们一起消耗了电源输出的很大一部分。在某种程度上,当我们考虑合理设计的能源预算时,我们进入了愚蠢的区域

结论

虽然这种方法在紧要关头起作用,但我们花更多的精力来平衡轨道,而不是为负载提供动力。因此,该技术在低功耗电路中的适用性有限。

话虽如此,这是对电路理论的一次很好的回顾。这扩展了我们对浮动电源的理解。这也回答了一个古老的问题:

我什么时候需要使用节点分析?

有很多DCDC都支持负压模式,例如ti的TPS5430。比如使用两个TPS5430输出正负15v的电压。如果需要的电流不大,可以使用电荷泵解决。就像题主说的,运放电源的话,其实完全可以使用电荷泵来解决。例如 TPS60402DBVR,下图是它的典型应用

我正在学习可输出正负电压的电源电路设计,使用图2的拓扑完成+/- 12VDC输出,请问V1是直流电源还是电池,可供选取的抽头电阻类型有哪些,以及在正压轨、负压轨如何放置反向电压二极管

还不如老老实实的用两个DCDC输出正负电压呢。

是的,我正在了解使用双DC-DC完成这个设计

曾经有试过用DCDC线路来改正负压输出,遇到了两个问题, 一个问题就是如本文中所说的平衡问题,两端的电压相差较大,达不到一致。另一个问题就是使能控制,单片机给高低电平都会是打开状态,关不断DCDC的输出。后来还是直接选用那种有负压输出的芯片,虽然成本可能会高出那么一点点,但贵在方便且稳定。

你说得对,DCDC 方式虽然理论可行,但可能存在实际应用中的挑战(如负载不均衡和使能问题),不如直接选用那种有负压输出的芯片,贵在方便且稳定。

下面是DigiKey的 DC-DC 开关控制器,可以方便地选择输出配置。