將電壓軌拆分為雙極性電源的前三種方法

音頻應(yīng)用、數(shù)據(jù)信號(hào)采集和模擬傳感器受益于雙極偏置電源。雙極電源可充分利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的動(dòng)態(tài)范圍，實(shí)現(xiàn)軌到軌放大，將模擬信號(hào)與接地噪聲隔離，并提供許多其他好處。

在這篇文章中，我將介紹將單個(gè)電源軌分成雙極電壓軌的三種方法。表 1 顯示了將單個(gè)正極電壓軌拆分為雙極軌的三種最常見(jiàn)方法中每一種方法的優(yōu)點(diǎn)和局限性。

表1：分軌法對(duì)比表

第一種（也是最簡(jiǎn)單的）方法是通過(guò)實(shí)現(xiàn)電阻分壓器來(lái)創(chuàng)建虛擬接地；不幸的是，這種配置在非常低的負(fù)載下很容易變得不平衡。TLE2426，如圖 1 所示，創(chuàng)建了一個(gè)從源緩沖的公共接地；緩沖器在負(fù)載條件下在軌道之間創(chuàng)建一個(gè)更穩(wěn)定的中心點(diǎn)。缺點(diǎn)是它只能處理幾毫安。

圖 1：分軌配置中 TLE2426 虛擬接地驅(qū)動(dòng)器的簡(jiǎn)化原理圖

與分立式方法相比，開(kāi)關(guān)拓?fù)涮峁└叩男?、?zhǔn)確性和穩(wěn)定性，以及更多的功能。有兩類開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器：電感式和電容式（即電荷泵或開(kāi)關(guān)電容器）。電感式穩(wěn)壓器是最高效的器件，但更復(fù)雜且需要電感器，從而增加了物料清單 (BOM) 成本和總解決方案尺寸。圖 2 顯示了 TPS65133 的典型原理圖，這是一款具有雙極輸出的升壓轉(zhuǎn)換器，能夠以 90% 的效率提供 ±250mA 輸出電流，適用于大多數(shù)輸入和輸出電壓配置。

圖 2：具有雙輸出電壓的 TPS65133 升壓轉(zhuǎn)換器

另一種流行的電感式分軌解決方案是飛控降壓拓?fù)?，它是一種降壓同步降壓轉(zhuǎn)換器，在反饋回路中有一個(gè)耦合電感器；此拓?fù)涮峁└綦x電壓電源。Fly-buck 方法是一種更復(fù)雜的技術(shù)：有關(guān)分步詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱應(yīng)用報(bào)告“使用寬輸入電壓降壓穩(wěn)壓器創(chuàng)建分軌電源”。

電荷泵是一種流行且簡(jiǎn)單的反轉(zhuǎn)正軌的方法。我們可以通過(guò)將電荷泵與 LDO 或 DC/DC 升壓轉(zhuǎn)換器結(jié)合來(lái)創(chuàng)建分離軌，如圖 3 所示。圖 3 中 的 LM27761 反相電荷泵具有能夠提供 250mA 電流的集成可調(diào)負(fù) LDO；我們可以使用外部電阻調(diào)整輸出電壓。

圖 3：分離軌解決方案結(jié)合了反相電荷泵和正電壓調(diào)節(jié)器

TI 還提供諸如 TPS65133 之類的集成解決方案，它是一款具有集成 LDO 和反相電荷泵的升壓轉(zhuǎn)換器，能夠以 90% 的效率提供 ±5V。

LM27762 提供 ±1.5V 至 ±5V 可調(diào)節(jié)、超低噪聲正負(fù)輸出。輸入電壓范圍為 2.7V 至 5.5V，輸出電流高達(dá) ±250mA。LM27762 的工作電流僅為 390μA并且關(guān)斷電流的典型值為 0.5μA，因此可為功率放大器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 偏置以及其他大電流、低噪聲、負(fù)電壓應(yīng)用提供理想性能。該器件采用小型解決方案尺寸，所需外部組件很少。

負(fù)電壓由經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓的反相電荷泵生成，該電荷泵緊接一個(gè)低噪聲、負(fù)電壓 LDO。LM27762 器件的反相電荷泵在 2MHz（典型值）開(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)行，可減少輸出阻抗和電壓紋波。正電壓由低噪聲正電壓 LDO 的輸入生成。

LM27762 的正負(fù)電壓輸出配有專用使能輸入。為滿足特定的系統(tǒng)電源排序需要，這些輸出支持獨(dú)立的正負(fù)電源軌時(shí)序。使能輸入也可短接在一起并與輸入電壓相連。LM27762 具有可選的電源正常功能。

· ±250mA 輸出電流

· 反向電荷泵緊接一個(gè)負(fù)電壓低壓降穩(wěn)壓器 (LDO)

· 2MHz 固定頻率、低噪聲運(yùn)行

· 2.5Ω 逆變器輸出阻抗，VIN = 5V

· 電流為 100mA 時(shí)的負(fù)電壓 LDO 壓降電壓為 30mV，VOUT = -5V

· 電流為 100mA 時(shí)的正電壓 LDO 壓降電壓為 45mV，VOUT = 5V

· 390μA 靜態(tài)電流（典型值）

· 關(guān)斷時(shí)的靜態(tài)電流降至 0.5μA（典型值）

對(duì)于必須最小化噪聲、紋波、成本和空間的降壓分離軌應(yīng)用，LM27762 電荷泵集成了正負(fù) LDO。同樣，我們可以使用外部電阻器調(diào)整輸出電壓。LM27762 只需要幾個(gè)補(bǔ)償元件，如圖 4 所示。

圖 4：具有集成 LDO 的 LM27762 分離軌電荷泵

在這篇文章中，我介紹了將電壓軌分成雙極電源的前三種方法。分立解決方案是一種簡(jiǎn)單的解決方案，但在輸出電流、電壓調(diào)節(jié)和穩(wěn)定性方面受到限制。電感式開(kāi)關(guān)具有高效率、高輸出電流并能夠隔離輸出電源，但總 BOM 成本和總解決方案尺寸很高。結(jié)合電荷泵和 LDO 可提供低噪聲、高電源抑制比 (PSRR) 電源、低成本和小尺寸，但無(wú)法提供與電感式解決方案一樣高的電流。