探索在医学超声中的线性稳压器应用

1.前言

假设我们正在研究超声系统。我们需要一个干净的 ±100V 电源来为超声波发射器供电，因此我们需要一个线性稳压器 (LDO)。你如何解决这个需求？ 

我们可以从半导体制造商处寻找设备，但获得可支持如此高电压的现成电压调节器（正极和负极）的机会很少。我们可以创建一个分立的、老式的、基于晶体管的耗散稳压器。或者，我们可以使用现有的现成低压稳压器，通过采用一种称为“浮动”的技巧来满足我们的要求。

浮动已经存在很长时间了。浮动稳压器是一种无需真正接地即可工作的稳压器。这是用于调节高于稳压器额定值的电压的技巧。许多应用需要传统稳压器设计无法实现的电路性能。在这篇文章中，我将介绍一种创新电路，该电路可以为正负稳压器浮动接地。尽管所示示例适用于稳压器，但这些电路也适用于 TPS7A3501 等电源滤波器。

2.浮动正调节器

TI 的 TPS7A4701 是一款 36V 超低噪声 (4μV RMS ) LDO，能够提供 1A 负载并提供正输出电压。外部反馈电阻器配置 TPS7A4701 的输出电压。

TPS7A4701-EP 是一款正电压 (36V)、超低噪声 (4µVRMS) 低压降线性稳压器 (LDO)，具有 1A 负载电流灌入能力。

TPS7A4701-EP 输出电压可通过用户可编程的 PCB 布局进行配置（高达 20.5V），也可以使用外部反馈电阻器进行调节（高达 34V）。

TPS7A4701-EP 采用双极技术进行设计，主要用于高精度、高精密仪表 应用 ，在这些应用中干净的电压轨对于最大程度地提高系统性能而言至关重要。此特性使得该器件非常适合为运算放大器、模数转换器 (ADC)、数模转换器 (DAC) 以及重要 应用 （如医疗、射频 (RF) 和测试与测量）中的其他高性能模拟电路供电。

要使 TPS7A4701 支持高达 100V 的输出电压，我们可以使用直流放大器将集成电路 (IC) 的接地浮动，如图 1 所示。通常，任何正稳压器都有一些电流流入 GND 引脚，它在数据表中列为 I (GND)。对于 TPS7A4701，当输出电流为 1A 时，I (GND)的典型值为 6.1mA。

图 1：使用 TINA-TI™ 软件对浮动稳压器接地（正稳压器）进行直流放大器仿真

如图 1 中的仿真所示，LDO I (GND)是来自 GND 引脚的电流。该电流分为两条路径：一条通过双极结型晶体管 (BJT)，另一条通过电阻分压器。运算放大器 (op amp) U1 在开环配置中用作积分器，并通过 2.2kΩ 的串联电阻驱动 BJT。12V 电源 V CC为运算放大器供电。V CNTRL输入决定虚拟接地电压的值，如公式 1 所示：

(1)

图 1 中显示的电路与 TPS7A4701 相结合，在开发过程中进行了高压操作测试。图 2 显示了与控制电压相关的传输特性（对于图 1 中的电路）。使用外部控制电压 V CNTL(P)设置虚拟接地。

图 2：输入电压为 110V 时正稳压器的传输特性

3.浮动负调节器

浮动负稳压器示例使用 TPS7A3301，这是一款 -36V 超低噪声（16μV RMS，72dB 电源抑制比 [PSRR]）LDO，能够吸收 1A 负载并提供负输出电压。对于 TPS7A3301，当输出电流为 50mA 时，I (GND)被指定为 5mA 典型值。该电流使用 BJT 进行转移，如图 3 所示。

图 3：使用 TINA-TI™ 软件对浮动稳压器接地（负稳压器）进行直流放大器仿真

两个运算放大器（U1 和 U2）形成一个直流放大器。第一阶段将负输出电压转换为正值。第二个运算放大器是误差放大器。系统有一个稳定点，负输入变为等于第二个运算放大器的正输入。如果输出太负，则 PNP 晶体管（在第二个运算放大器的输出端）被驱动到饱和状态；这会将虚拟地面移向零。V CNTL输入通过使用公式 2 来决定输出电压的值：

 (2)

如图 3 所示，第一个运算放大器的输出锁定在 V CNTL电压 (= 1V)，并将负输出电压设置为 -21.32V，将虚拟接地设置为 -18.02V。

图 3 中显示的电路与 TPS7A3301 相结合，在开发过程中针对高压操作进行了测试。图 4 显示了与控制电压相关的传输特性（对于图 3 中的电路）。使用外部控制电压 V CNTL(N)设置虚拟接地。

图 4：输入电压为 -110V 时负稳压器的传输特性

用于浮动接地的电路是通用电路。它们使用低压运算放大器和外部晶体管来增强现有低压稳压器的能力。