将电压轨拆分为双极性电源的前三种方法

音频应用、数据信号采集和模拟传感器受益于双极偏置电源。双极电源可充分利用模数转换器 (ADC) 的动态范围，实现轨到轨放大，将模拟信号与接地噪声隔离，并提供许多其他好处。

在这篇文章中，我将介绍将单个电源轨分成双极电压轨的三种方法。表 1 显示了将单个正极电压轨拆分为双极轨的三种最常见方法中每一种方法的优点和局限性。

表1：分轨法对比表

第一种（也是最简单的）方法是通过实现电阻分压器来创建虚拟接地；不幸的是，这种配置在非常低的负载下很容易变得不平衡。TLE2426，如图 1 所示，创建了一个从源缓冲的公共接地；缓冲器在负载条件下在轨道之间创建一个更稳定的中心点。缺点是它只能处理几毫安。

图 1：分轨配置中 TLE2426 虚拟接地驱动器的简化原理图

与分立式方法相比，开关拓扑提供更高的效率、准确性和稳定性，以及更多的功能。有两类开关稳压器：电感式和电容式（即电荷泵或开关电容器）。电感式稳压器是最高效的器件，但更复杂且需要电感器，从而增加了物料清单 (BOM) 成本和总解决方案尺寸。图 2 显示了 TPS65133 的典型原理图，这是一款具有双极输出的升压转换器，能够以 90% 的效率提供 ±250mA 输出电流，适用于大多数输入和输出电压配置。

图 2：具有双输出电压的 TPS65133 升压转换器

另一种流行的电感式分轨解决方案是飞控降压拓扑，它是一种降压同步降压转换器，在反馈回路中有一个耦合电感器；此拓扑提供隔离电压电源。Fly-buck 方法是一种更复杂的技术：有关分步详细信息，请参阅应用报告“使用宽输入电压降压稳压器创建分轨电源”。

电荷泵是一种流行且简单的反转正轨的方法。我们可以通过将电荷泵与 LDO 或 DC/DC 升压转换器结合来创建分离轨，如图 3 所示。图 3 中 的 LM27761 反相电荷泵具有能够提供 250mA 电流的集成可调负 LDO；我们可以使用外部电阻调整输出电压。

图 3：分离轨解决方案结合了反相电荷泵和正电压调节器

TI 还提供诸如 TPS65133 之类的集成解决方案，它是一款具有集成 LDO 和反相电荷泵的升压转换器，能够以 90% 的效率提供 ±5V。

LM27762 提供 ±1.5V 至 ±5V 可调节、超低噪声正负输出。输入电压范围为 2.7V 至 5.5V，输出电流高达 ±250mA。LM27762 的工作电流仅为 390µA并且关断电流的典型值为 0.5µA，因此可为功率放大器、数模转换器 (DAC) 偏置以及其他大电流、低噪声、负电压应用提供理想性能。该器件采用小型解决方案尺寸，所需外部组件很少。

负电压由经过稳压的反相电荷泵生成，该电荷泵紧接一个低噪声、负电压 LDO。LM27762 器件的反相电荷泵在 2MHz（典型值）开关频率下运行，可减少输出阻抗和电压纹波。正电压由低噪声正电压 LDO 的输入生成。

LM27762 的正负电压输出配有专用使能输入。为满足特定的系统电源排序需要，这些输出支持独立的正负电源轨时序。使能输入也可短接在一起并与输入电压相连。LM27762 具有可选的电源正常功能。

· ±250mA 输出电流

· 反向电荷泵紧接一个负电压低压降稳压器 (LDO)

· 2MHz 固定频率、低噪声运行

· 2.5Ω 逆变器输出阻抗，VIN = 5V

· 电流为 100mA 时的负电压 LDO 压降电压为 30mV，VOUT = -5V

· 电流为 100mA 时的正电压 LDO 压降电压为 45mV，VOUT = 5V

· 390µA 静态电流（典型值）

· 关断时的静态电流降至 0.5µA（典型值）

对于必须最小化噪声、纹波、成本和空间的降压分离轨应用，LM27762 电荷泵集成了正负 LDO。同样，我们可以使用外部电阻器调整输出电压。LM27762 只需要几个补偿元件，如图 4 所示。

图 4：具有集成 LDO 的 LM27762 分离轨电荷泵

在这篇文章中，我介绍了将电压轨分成双极电源的前三种方法。分立解决方案是一种简单的解决方案，但在输出电流、电压调节和稳定性方面受到限制。电感式开关具有高效率、高输出电流并能够隔离输出电源，但总 BOM 成本和总解决方案尺寸很高。结合电荷泵和 LDO 可提供低噪声、高电源抑制比 (PSRR) 电源、低成本和小尺寸，但无法提供与电感式解决方案一样高的电流。