倍壓器電路簡(jiǎn)介

倍壓器倍壓器（voltagedoubler）是提升電壓的電路，利用輸入電壓將電容器充電，并且利用電路的切換，在理想情形下，可以使電容器的電壓恰為輸入電壓的二倍。最簡(jiǎn)單的倍壓器是一種特殊的整流器，輸入是交流電壓，輸出是兩倍的直流電壓，其切換元件為二極管，其切換只是因著輸入電壓的正負(fù)電壓變化而切換導(dǎo)通或關(guān)閉。直流－直流的倍壓器像交流－直流的倍壓器，只是根據(jù)輸入電壓的正負(fù)變化而進(jìn)行切換，需要驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制其切換，多半也需要可受控的切換元件，例如晶體管。倍壓器是多倍壓器電路的一種變形，許多（不過(guò)不是所有）的倍壓器可以視為高倍率倍壓器中的一級(jí)，若組合數(shù)個(gè)倍壓器，可以達(dá)到更高的倍率。倍壓整流器維拉德氏電路圖一：維拉德氏電路維拉德氏電路（Villardcircuit）得名自保羅?烏爾里希?維拉德［1］，是由變壓器加上電容器及二極管所組成，其架構(gòu)非常簡(jiǎn)單，但輸出漣波的特性很差，此電路本質(zhì)上是二極管箝位電路，電容器是由交流電源的負(fù)半周（Vpk）充電，輸出電壓是由輸入的交流電壓及電容器的穩(wěn)定直流電壓疊加后的結(jié)果，此電路在調(diào)整輸出電壓的直流分量，將交流電壓的電壓最小值調(diào)整到0V（若考慮二極管壓降，為-VF），因此交流電壓的電壓最大值調(diào)整到2Vpk，但其峰對(duì)峰的漣波為2Vpk，而且此漣波無(wú)法用濾波的方式改善，若要改善，就要將倍壓器改為較復(fù)雜的電路［2］。此電路的二極管若反向，可用來(lái)產(chǎn)生微波爐磁電管需要的高負(fù)電壓。格賴納赫電路圖二：格賴納赫電路格賴納赫電路(Greinachercircuit)比維拉德氏電路多了一些元件，但其效果有很大的改善,漣波已明顯減小，若在負(fù)載開(kāi)路的條件下，漣波為零，但若負(fù)載非開(kāi)路，漣波則視負(fù)載的電阻及電路中的電容而定。格賴納赫電路的第一級(jí)為維拉德氏電路，后面是包絡(luò)檢波器，消去大部分的漣波，但保持輸出的峰值電壓。此電路最早是由海因里希?格賴納赫在1913年發(fā)明，在1914年發(fā)表［3］,目的是提供他新發(fā)明離子計(jì)所需的200-300V電源，而當(dāng)時(shí)蘇黎世電廠只能提供110V的交流電［4］。他后來(lái)(1920年)將此概念延伸，級(jí)聯(lián)后成為多倍壓器［5］［6］［7］。格賴納赫電路的級(jí)連常被誤稱為是維拉德級(jí)連(Villardcascade)。此電路也被稱為克羅夫特-沃爾頓產(chǎn)生器，因?yàn)闅W內(nèi)斯特?沃爾頓在和約翰?考克饒夫制作粒子加速器的過(guò)程中，也曾在1932年獨(dú)立發(fā)現(xiàn)此電路［8］［9］。圖三：兩個(gè)極性相反的格賴納赫電路上述電路的概念可以延伸，用一組交流電源提供兩個(gè)極性相反的格賴納赫電路，可以形成四倍壓電路(quadruplercircuit)。總輸出是跨過(guò)這兩組電路的輸出。如同(德隆)橋式電路一様，此電路輸入側(cè)和輸出側(cè)的參考點(diǎn)電位不同，不能同時(shí)接地［10］。圖三：兩個(gè)極性相反時(shí)格頓納赫電路Q德隆電路圖四：德隆倍壓電路德隆電路(Deloncircuit)利用橋狀拓?fù)鋪?lái)進(jìn)行電壓倍壓［11］。此電路曾經(jīng)用在陰極射線管的電視中，作為高電壓的電源。家用設(shè)備上用變壓器產(chǎn)生超過(guò)5kV以上的電壓會(huì)有安全上的問(wèn)題，而且在任何箱體內(nèi)都不具經(jīng)濟(jì)效益。不過(guò)黑白電視需要10kV的高壓電，彩色電視需要的電壓更高。此時(shí)就會(huì)使用倍壓器，可能電壓是來(lái)自主變壓器的高壓繞組，或是來(lái)自回掃變壓器輸出的波形［12］。團(tuán)三：德隆侶壓電路此電路包括兩個(gè)半波的波峰檢波器，動(dòng)作原理和格賴納赫電路中的相同。兩個(gè)波峰檢波器會(huì)分別在輸入波形兩個(gè)相反的半周內(nèi)動(dòng)作。因?yàn)槠漭敵鍪谴拥?，因此輸出?huì)是輸入電壓的二倍。開(kāi)關(guān)電容器電路圖五，開(kāi)關(guān)電容器的倍壓器是讓充電的電容器在并聯(lián)及串聯(lián)之間反復(fù)切換可以只用上述提到的二極管和電容電路進(jìn)行直流電壓源的倍壓，作法是在倍壓器前加上斬波器，在效果上，是在進(jìn)入位壓電路前先將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流［13］。比較有效率的作法是用外部的時(shí)脈去驅(qū)動(dòng)切換用元件，因此可以同時(shí)進(jìn)行倍壓及斬波，這類電路一般稱為開(kāi)關(guān)電容器電路。這類的電路可以用一些應(yīng)用是用低電壓的電池供電，但集成電路需要的電壓較高的情形。通常在基板上會(huì)有產(chǎn)生時(shí)脈訊號(hào)的集成電路，可能只需要一些輔助電路（或其完全不要輔助電路）即可產(chǎn)生時(shí)脈［14］。在概念上，圖五也許是最簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)電容器電路組態(tài)。此處的二個(gè)電路并聯(lián)，以相同的電壓充電，接著電源不通到電容器，開(kāi)關(guān)切換，使兩個(gè)電容串聯(lián)，并將串聯(lián)后的電壓接到輸出，即為輸入電壓的兩倍。有許多不同的開(kāi)關(guān)零件可以用在此電路中，不過(guò)在集成電路中多半會(huì)選用MOSFET作為開(kāi)關(guān)零件［15］。圖六，電荷泵倍壓器的電路另一個(gè)相關(guān)的概念是電荷泵，圖六是電荷泵的一個(gè)版本，電荷泵的電容CP先由電源充電之后電容CP和電源串聯(lián)，和輸出電容CO充電，因此CO最后會(huì)充到電源的二倍?？赡苄枰獛讉€(gè)周期才能將CO充飽，但若到達(dá)穩(wěn)態(tài)，CP只需要提供很少的電荷，相當(dāng)于CO提供給負(fù)載需要的電荷。當(dāng)CO切離電容CP時(shí)，CO會(huì)對(duì)負(fù)壓放電，因此輸出電壓會(huì)有漣波，

若時(shí)脈較快，充電時(shí)間較短，漣波也會(huì)變小，也比較容易濾除。而且對(duì)應(yīng)相同的鏈波規(guī)格可以選用較小的電容器。實(shí)務(wù)上集成電路中最快的時(shí)脈頻率會(huì)是數(shù)百kHz［16］。迪克森電荷泵圖七，迪克森電荷泵的倍壓電路迪克森電荷泵(Dicksonchargepump)是由級(jí)聯(lián)的二極管/電容器單元組成，每個(gè)電容器的一側(cè)由時(shí)脈訊號(hào)驅(qū)動(dòng)［p1］。此電路可視為是科克羅夫特沃爾頓多倍倍壓器(Cockcroft-Waltonmultiplier)的變體，但不用交流訊號(hào)，而是用直流輸入和時(shí)脈訊號(hào)來(lái)作為切換信號(hào)迪克森多倍倍壓器一般會(huì)需要一些單元是由相序相反的時(shí)脈來(lái)驅(qū)動(dòng)。不過(guò)因?yàn)閳D七的迪克森位壓器只有一級(jí)，因此只需要一個(gè)時(shí)脈訊號(hào)即可［17］。迪克森位壓器常用在集成電路中，在電源電壓(可能由電池提供)比工作電壓低時(shí)可以產(chǎn)生工作電壓。集成電路制造時(shí)其所有半導(dǎo)體元件都是同一型的，為其優(yōu)點(diǎn)。許多集成電路中的基礎(chǔ)邏輯方塊是MOSFET，因此二極管常用MOSFET代替，但短接后有像二極管一樣的特性，稱為diode-wiredMOSFET。圖八是一個(gè)用n通道增強(qiáng)型MOSFET代替二極管的迪克森電荷泵［18］。圖八，利用MOSFET短路成二極管(diode-wiredMOSFET)組成的迪克森電荷泵倍壓電路有許多針對(duì)迪克森多倍倍壓器的修改及提升，許多都著重在減少晶體管的源-泄極電壓，若輸入電壓很小時(shí)(例如快沒(méi)電的電池)，這個(gè)改善的影響就相當(dāng)?shù)拇?。若用理想的切換元件，輸出電壓會(huì)是輸入電壓的整數(shù)倍(倍壓器為二倍)，但若用一個(gè)電池為輸入來(lái)源，以MOSFET為開(kāi)關(guān)，其輸出會(huì)遠(yuǎn)小于理想值，因?yàn)橐恍╇妷涸谕ㄟ^(guò)二極管時(shí)要克服其電壓降，因此被消耗掉了。若電路是用分立元件組成，比較適合用肖特基二極管作為切換元件因?yàn)閷?dǎo)通時(shí)其電壓降非常小。不過(guò)集成電路設(shè)計(jì)者較傾向使用MOSFET，而不是用其他元件來(lái)增加電路的復(fù)雜性[19]。例如鋰電池的標(biāo)準(zhǔn)電壓為1.5V,若配合倍壓器，且切換元件沒(méi)有壓降，其輸出會(huì)是3.0V。不過(guò)短路成二極管的MOSFET，導(dǎo)通時(shí)的閘極臨限電壓至少是0.9V.[20]。倍壓器只能將輸出從0.6V提升到2.1V。若再考慮最后一級(jí)平滑晶體管的壓降，若不用多級(jí)倍壓器，無(wú)法作到提升電壓的效果。而肖特基二極管導(dǎo)通時(shí)的壓降只有0.3V。[21]用肖特基二極管的倍壓器可以將電壓提升到2.7V,過(guò)平滑二極管后也有2.4V[22]。交叉耦合切換式電容器交叉耦合切換式電容器的特點(diǎn)是輸入電壓可以非常小，像以電池為電源的無(wú)線設(shè)備（如呼叫器、藍(lán)牙設(shè)備）只用一個(gè)電池供電，需要在電池放電到電壓小于1V時(shí)，仍可以提供電力[23]。當(dāng)時(shí)脈91為低電位時(shí)，晶體管Q2關(guān)閉，同時(shí)時(shí)脈9為高電位，因此晶體管Q1會(huì)導(dǎo)通，使Vin充電到電容C1。當(dāng)9變成高電位時(shí)，C1提升到Vin的二倍，同時(shí)開(kāi)關(guān)S1導(dǎo)通,因此輸出端有電壓，此時(shí)Q2導(dǎo)通，使C2充電。在另外半個(gè)周期，91為低電位，92為高電位，因此S1導(dǎo)通，S2關(guān)閉，因此輸出電壓2Vin會(huì)由此電路的二