如何得到正负电源

正负电源是电子电路设计中不可或缺的组成部分，它为运算放大器、比较器等器件提供必要的工作条件。获取正负电源的方法多样，从简单的电池组接到复杂的开关电源设计，每种方案都有其特定的应用场景和优缺点。本文将系统性地阐述十二种主流的正负电源生成技术，涵盖其工作原理、设计要点、适用领域以及实际构建中的关键注意事项，旨在为电子工程师和爱好者提供一份全面且实用的参考指南。

       在电子世界的构建中，单一的正向电源往往无法满足所有需求。无论是高保真音频放大器中运算放大器的推挽工作，还是精密测量仪器里数据转换芯片的基准需求，正负对称的双极性电源都是确保电路性能稳定、指标优良的基石。对于许多初学者甚至有一定经验的工程师而言，如何高效、可靠地获得一组纯净、稳定的正负电源，仍是一个值得深入探讨的课题。本文将深入剖析多种获得正负电源的方案，从最基础到最前沿，从理论原理到实践细节，为您呈现一份详尽的攻略。

       中心抽头变压器法

       这是最经典、最直观的线性电源构建方法。其核心在于使用一个带有中心抽头的电源变压器。变压器的次级绕组被中心抽头平均分为两部分，该抽头通常被定义为系统的参考地。两个完整的整流滤波电路分别连接在中心抽头与绕组的两端。经过整流和滤波后，相对于中心抽头（地），绕组的一端产生正电压，另一端则产生负电压。这种方法结构清晰，纹波性能较好，但变压器的体积和重量较大，效率相对较低，且输出电压与电网电压直接相关，调整不便。

       双绕组独立变压器法

       当需要正负电压不对称，或者需要更高的隔离度时，可以采用两个独立的变压器绕组，甚至两个独立的变压器。每个绕组各自经过一套独立的整流、滤波和稳压电路，分别产生所需的正电压和负电压，最后将两者的地线连接在一起作为公共地。这种方法设计灵活，正负两路电源的电压值和电流容量可以独立设定，互不影响。缺点是成本较高，占用空间大，且需要确保两个电源能够协调工作。

       三端线性稳压器组合

       在线性电源领域，像七千八百系列（如7805产生+5V）和七千九百系列（如7905产生-5V）这样的三端稳压集成电路是 ubiquitous（普遍存在）的选择。在拥有中心抽头或双绕组的变压器整流滤波后，将正电压输入到正压稳压器，负电压输入到负压稳压器，它们的公共端均接地，即可输出稳定且低噪声的正负电压。这种方案电路简洁，性能可靠，成本低廉，是实验电路和小功率设备中的常见配置。需注意，正负压稳压器的输入输出电压差需满足其最小工作压差要求。

       开关电源技术

       为了追求高效率和小型化，开关电源技术是必然选择。无论是隔离式的反激、正激拓扑，还是非隔离式的升降压电路，都可以通过巧妙的变压器绕组设计或电路拓扑重构来产生正负对称或不对称的输出。例如，在反激变换器中，可以在变压器次级增加一个绕组，使其相位与正压绕组相反，再配以整流滤波，即可得到负压。开关电源效率高、体积小、输入电压范围宽，但设计复杂，电磁干扰噪声较大，需要精心的布局和滤波设计。

       电荷泵电压转换器

       对于低电流应用（通常在100毫安以下），电荷泵方案极具吸引力。它仅需外接几个电容，即可实现电压的逆变或倍压。例如，一颗专用的电荷泵集成电路，输入一个正电压，通过内部开关控制外部电容的充放电，就能产生一个负的输出电压。这种方案完全无需电感，体积非常小巧，成本低，且基本不产生电磁干扰。缺点是输出电流能力有限，输出电压精度和负载调整率通常不如线性稳压器，且存在一定的开关纹波。

       DC-DC转换器模块

       若不想从零开始设计复杂的开关电源，可以选用现成的隔离或非隔离DC-DC（直流-直流）转换器模块。市场上有专门的单路输入、正负双路输出的模块。用户只需提供一个单极性直流输入电压（如+12V或+24V），模块内部集成的电路会自动产生隔离或非隔离的正负输出电压（如±12V或±15V）。这种方案“即插即用”，大大简化了设计流程，可靠性高，但成本相对自制电路较高，功率密度和效率取决于模块的具体型号。

       电池串联方案

       在便携式或备用电源场合，直接使用电池是最简单的方式。将多节电池串联，取串联的中点作为公共地，那么相对于这个地，电池组的一端就是正电压，另一端就是负电压。例如，将三节3.7V的锂离子电池串联，总电压约为11.1V。取中间一节电池的正极（或负极）作为地，则可得到大约+3.7V和-7.4V的非对称电源，或者通过均衡配置得到近似对称的电压。此方法简单可靠，但电压不可调，且需要关注电池组的平衡充电问题。

       虚拟地技术

       当系统中只有一个单电源（如一块电池或一个+5V开关电源），但部分电路需要双电源工作时，虚拟地技术应运而生。其核心思想是使用一个运算放大器或专用的虚拟地芯片，产生一个稳定的参考电位点，该点电压被设置在单电源电压的中点。对于原电路而言，这个新产生的电位点被视为“地”，那么原来的电源正极就变成了“正电源”，原来的电源地则变成了“负电源”。这种方法巧妙地“无中生有”，但需注意，整个系统的总功耗不能超过单电源的供应能力，且正负两路的电流需求会相互影响。

       运算放大器构建的稳压电路

       对于特殊电压或高性能需求，可以利用运算放大器、功率晶体管和基准电压源来自行搭建线性稳压电路。通过配置运算放大器的反馈网络，可以精确设定输出电压值。这种方案灵活性极高，可以实现低压差、高精度、低噪声等特定性能指标，但电路比三端稳压器复杂，需要精心选择元器件并进行稳定性补偿设计。

       电源逆变集成电路

       市面上存在一类专用于产生负电压的集成电路，如七千六百六十年系列。它们本质上是集成了开关控制的电荷泵或小型电感式转换器。只需输入一个正电压，搭配少量外部元件（通常是电容，有时需要小电感），就能高效地产生一个负电压。这类芯片使用方便，性能优于分立元件搭建的简单电荷泵，是便携设备中获取辅助负压的常用手段。

       考虑功率需求与效率平衡

       选择何种方案，功率和效率是关键决策因素。线性电源（如变压器+三端稳压器）结构简单、噪声低，但效率通常只有30%-60%，热量都消耗在稳压器件上，适合小功率或对噪声极其敏感的模拟电路。开关电源效率可达80%-95%，适合中高功率应用，但电磁兼容性设计挑战大。电荷泵效率居中，但功率处理能力最小。必须根据负载的实际电流消耗和散热条件来权衡。

       关注噪声与纹波指标

       电源的质量直接影响后续电路的性能。线性电源的输出纹波通常很小。开关电源和电荷泵则由于工作在高频开关状态，输出会含有开关频率及其谐波成分的噪声，必须通过LC滤波网络或后级线性稳压器进行抑制。在音频、传感器、高精度数据采集等应用中，电源的噪声指标至关重要，往往需要在效率和多级滤波之间做出折衷。

       成本与体积的制约

       工频变压器和线性稳压方案成本较低，但变压器体积庞大。开关电源和DC-DC模块虽然单价可能稍高，但其高功率密度可以节省宝贵的空间，在消费电子和紧凑型设备中优势明显。电荷泵方案在成本和体积上都有极大优势，但仅限微功率场景。设计者需要在预算、空间限制和性能要求之间找到最佳平衡点。

       安全规范与隔离要求

       当电源从市电转换而来时，安全是首要考虑。使用隔离变压器或隔离型开关电源是必须的，以确保次级电路与高压电网隔离，防止触电危险。相关的安全标准，如国际电工委员会的标准，对绝缘强度、爬电距离等都有明确规定。即使在低压直流系统中，若前后级电路需要地电位隔离，也应选用隔离型DC-DC模块。

       散热设计与可靠性

       任何电源转换过程都有损耗，这些损耗最终以热量的形式散发。线性稳压器，特别是在输入输出电压差较大、负载电流较重时，会产生大量热量，必须配备尺寸足够的散热器。开关电源虽然效率高，但功率器件和磁性元件仍会发热，需要良好的通风或散热设计。过热会导致元器件寿命缩短甚至永久损坏，因此热设计是电源设计不可分割的一部分。

       调试与故障排查要点

       搭建好电源电路后，务必先空载上电，用示波器测量输出电压是否正确、稳定，纹波是否在可接受范围内。然后逐步加载，观察带载能力及动态响应。常见问题包括输出电压偏差、振荡（不稳定）、带载后电压跌落过大、过热等。这些问题可能源于元器件选型不当、布局布线不良、反馈补偿网络设计有误或负载本身存在异常。

       实际应用场景举例

       在音频功率放大器中，常采用中心抽头变压器加大功率稳压集成电路的方案，以提供低噪声的大电流正负电源。在嵌入式系统的主板上，往往由一个+12V或+5V的开关电源输入，通过多个非隔离DC-DC转换器产生处理器内核所需的低电压（如+1.2V）、输入输出口电压（+3.3V）以及运算放大器需要的正负电源（如±5V）。在电池供电的便携式仪表中，则可能用一颗升压电荷泵芯片从单节锂电池产生正负5伏电压，为运算放大器供电。

       未来发展趋势

       电源技术始终向着更高效率、更高功率密度、更智能的方向发展。宽禁带半导体器件，如氮化镓和碳化硅，正在使开关电源的工作频率迈向新高度，从而进一步缩小磁性元件的体积。数字电源管理技术允许通过软件实时监控和调整电源参数，实现最优的能效控制。高度集成的电源系统级芯片将多种转换器、管理功能封装于一体，为复杂电子系统提供完整的电源解决方案。

       综上所述，获取正负电源的途径多种多样，没有一种方案是放之四海而皆准的。优秀的工程师会根据具体的项目需求——无论是性能、成本、体积、效率还是开发周期——进行综合考量，选择最恰当的技术路线，并细致地完成设计、元器件选型和调试工作。希望本文的梳理能为您在未来的电子设计实践中提供有力的支持。