1.前言

假設(shè)我們正在研究超聲系統(tǒng)。我們需要一個(gè)干凈的 ±100V 電源來(lái)為超聲波發(fā)射器供電，因此我們需要一個(gè)線性穩(wěn)壓器 (LDO)。你如何解決這個(gè)需求？ 

我們可以從半導(dǎo)體制造商處尋找設(shè)備，但獲得可支持如此高電壓的現(xiàn)成電壓調(diào)節(jié)器（正極和負(fù)極）的機(jī)會(huì)很少。我們可以創(chuàng)建一個(gè)分立的、老式的、基于晶體管的耗散穩(wěn)壓器。或者，我們可以使用現(xiàn)有的現(xiàn)成低壓穩(wěn)壓器，通過(guò)采用一種稱為“浮動(dòng)”的技巧來(lái)滿足我們的要求。

浮動(dòng)已經(jīng)存在很長(zhǎng)時(shí)間了。浮動(dòng)穩(wěn)壓器是一種無(wú)需真正接地即可工作的穩(wěn)壓器。這是用于調(diào)節(jié)高于穩(wěn)壓器額定值的電壓的技巧。許多應(yīng)用需要傳統(tǒng)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的電路性能。在這篇文章中，我將介紹一種創(chuàng)新電路，該電路可以為正負(fù)穩(wěn)壓器浮動(dòng)接地。盡管所示示例適用于穩(wěn)壓器，但這些電路也適用于 TPS7A3501 等電源濾波器。

2.浮動(dòng)正調(diào)節(jié)器

TI 的 TPS7A4701 是一款 36V 超低噪聲 (4μV RMS ) LDO，能夠提供 1A 負(fù)載并提供正輸出電壓。外部反饋電阻器配置 TPS7A4701 的輸出電壓。

TPS7A4701-EP 是一款正電壓 (36V)、超低噪聲 (4μVRMS) 低壓降線性穩(wěn)壓器 (LDO)，具有 1A 負(fù)載電流灌入能力。

TPS7A4701-EP 輸出電壓可通過(guò)用戶可編程的 PCB 布局進(jìn)行配置（高達(dá) 20.5V），也可以使用外部反饋電阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)（高達(dá) 34V）。

TPS7A4701-EP 采用雙極技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要用于高精度、高精密儀表 應(yīng)用 ，在這些應(yīng)用中干凈的電壓軌對(duì)于最大程度地提高系統(tǒng)性能而言至關(guān)重要。此特性使得該器件非常適合為運(yùn)算放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 以及重要 應(yīng)用 （如醫(yī)療、射頻 (RF) 和測(cè)試與測(cè)量）中的其他高性能模擬電路供電。

要使 TPS7A4701 支持高達(dá) 100V 的輸出電壓，我們可以使用直流放大器將集成電路 (IC) 的接地浮動(dòng)，如圖 1 所示。通常，任何正穩(wěn)壓器都有一些電流流入 GND 引腳，它在數(shù)據(jù)表中列為 I (GND)。對(duì)于 TPS7A4701，當(dāng)輸出電流為 1A 時(shí)，I (GND)的典型值為 6.1mA。

圖 1：使用 TINA-TI? 軟件對(duì)浮動(dòng)穩(wěn)壓器接地（正穩(wěn)壓器）進(jìn)行直流放大器仿真

如圖 1 中的仿真所示，LDO I (GND)是來(lái)自 GND 引腳的電流。該電流分為兩條路徑：一條通過(guò)雙極結(jié)型晶體管 (BJT)，另一條通過(guò)電阻分壓器。運(yùn)算放大器 (op amp) U1 在開(kāi)環(huán)配置中用作積分器，并通過(guò) 2.2kΩ 的串聯(lián)電阻驅(qū)動(dòng) BJT。12V 電源 V CC為運(yùn)算放大器供電。V CNTRL輸入決定虛擬接地電壓的值，如公式 1 所示：

(1)

圖 1 中顯示的電路與 TPS7A4701 相結(jié)合，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中進(jìn)行了高壓操作測(cè)試。圖 2 顯示了與控制電壓相關(guān)的傳輸特性（對(duì)于圖 1 中的電路）。使用外部控制電壓 V CNTL(P)設(shè)置虛擬接地。

圖 2：輸入電壓為 110V 時(shí)正穩(wěn)壓器的傳輸特性

3.浮動(dòng)負(fù)調(diào)節(jié)器

浮動(dòng)負(fù)穩(wěn)壓器示例使用 TPS7A3301，這是一款 -36V 超低噪聲（16μV RMS，72dB 電源抑制比 [PSRR]）LDO，能夠吸收 1A 負(fù)載并提供負(fù)輸出電壓。對(duì)于 TPS7A3301，當(dāng)輸出電流為 50mA 時(shí)，I (GND)被指定為 5mA 典型值。該電流使用 BJT 進(jìn)行轉(zhuǎn)移，如圖 3 所示。

圖 3：使用 TINA-TI? 軟件對(duì)浮動(dòng)穩(wěn)壓器接地（負(fù)穩(wěn)壓器）進(jìn)行直流放大器仿真

兩個(gè)運(yùn)算放大器（U1 和 U2）形成一個(gè)直流放大器。第一階段將負(fù)輸出電壓轉(zhuǎn)換為正值。第二個(gè)運(yùn)算放大器是誤差放大器。系統(tǒng)有一個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)，負(fù)輸入變?yōu)榈扔诘诙€(gè)運(yùn)算放大器的正輸入。如果輸出太負(fù)，則 PNP 晶體管（在第二個(gè)運(yùn)算放大器的輸出端）被驅(qū)動(dòng)到飽和狀態(tài)；這會(huì)將虛擬地面移向零。V CNTL輸入通過(guò)使用公式 2 來(lái)決定輸出電壓的值：

 (2)

如圖 3 所示，第一個(gè)運(yùn)算放大器的輸出鎖定在 V CNTL電壓 (= 1V)，并將負(fù)輸出電壓設(shè)置為 -21.32V，將虛擬接地設(shè)置為 -18.02V。

圖 3 中顯示的電路與 TPS7A3301 相結(jié)合，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中針對(duì)高壓操作進(jìn)行了測(cè)試。圖 4 顯示了與控制電壓相關(guān)的傳輸特性（對(duì)于圖 3 中的電路）。使用外部控制電壓 V CNTL(N)設(shè)置虛擬接地。

圖 4：輸入電壓為 -110V 時(shí)負(fù)穩(wěn)壓器的傳輸特性

用于浮動(dòng)接地的電路是通用電路。它們使用低壓運(yùn)算放大器和外部晶體管來(lái)增強(qiáng)現(xiàn)有低壓穩(wěn)壓器的能力。