第8节 电压倍增器（倍增器、三倍器、四倍器等）(修订中)
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_电压倍增器_是一种 专门的整流 (opens new window)电路，其输出理论上是交流峰值输入的整数倍，例如交流峰值输入的 2、3 或 4 倍。因此，可以使用倍增器从 100 Vpeak AC 电源获得 200 VDC，从四倍器获得 400 VDC。实际电路中的任何负载都会降低这些电压。
我们将首先介绍几种类型的电压倍增器——倍压器（半波和全波）、三倍压器和四倍压器——然后对电压倍增器的安全性进行一些一般性说明，最后介绍 Cockcroft-Walton 倍压器。
# 1. 倍压器
倍压器应用是一种能够使用 240 VAC 或 120 VAC 电源的直流电源。该电源使用开关选择的全波桥从 240 VAC 电源产生约 300 VDC。开关的 120 V 位置将电桥重新连接为倍增器，从 120 VAC 产生约 300 VDC。在这两种情况下，都会产生 300 VDC。这是一个开关稳压器的输入，它产生较低的电压来为个人电脑供电。
# 1.1. 半波倍压器
下图（a）中的半波倍压器由两个电路组成：（b）处的钳位器和上图中的峰值检测器（半波整流器），修改后的形式如下图（c）所示。C2 已添加到峰值检测器（半波整流器）。
半波倍压器 (a) 由 (b) 钳位器和 (c) 半波整流器组成。
半波倍压器工作电路分析
参考上图 (b)，C2 在交流输入的负半周期充电至 5 V（考虑到二极管压降为 4.3 V）。右端通过导通的 D2 接地。左端在交流输入的负峰值充电。这是夹具 (opens new window)的操作。
在正半周期间，半波整流器在上图（c）中发挥作用。二极管 D2 在电路之外，因为它是反向偏置的。C2 现在与电压源串联。注意发电机和 C2 的极性，串联辅助。因此，整流器 D1 在正弦波的峰值处看到总共 10 V，来自发电机的 5 V 和来自 C2 的 5 V。D1 传导波形 v(1)（下图） (opens new window)，将 C1 充电至 5 V DC 上的正弦波峰值（下图 v(2)）。波形 v(2) 是倍频器的输出，在几个正弦波输入周期后稳定在 10 V（二极管压降为 8.6 V）。
| *SPICE 03255.eps C1 2 0 1000p D1 1 2 二极管 C2 4 1 1000p D2 0 1 二极管 V1 4 0 SIN(0 5 1k) .model 二极管 d .tran 0.01m 5m .end |
倍压器：v(4) 输入。v(1) 钳位。v(2)半波整流级，即倍频输出。
# 1.2. 全波倍压器
全_波倍压器_由一对串联堆叠的半波整流器组成。（下图）对应的网表如下图。
全波倍压器工作分析
底部整流器在输入的负半周期为 C1 充电。顶部整流器在正半周期对 C2 充电。每个电容器 (opens new window)充电 5 V（考虑二极管压降为 4.3 V）。节点 5 的输出是 C1 + C2 或 10 V 的串联总和（8.6 V，带二极管压降）。
| *SPICE 03273.eps *R1 3 0 100k *R2 5 3 100k D1 0 2 二极管 D2 2 5 二极管 C1 3 0 1000p C2 5 3 1000p V1 2 3 SIN(0 5 1k) .model 二极管 d .tran 0.01m 5m 。结尾 |
全波倍压器由两个以交替极性工作的半波整流器组成。
请注意，下图中的输出 v(5) 在输入 v(2) 偏移的一个周期内达到满值。
全波倍压器：v(2) 输入，v(3) 中点电压，v(5) 输出电压
# 2. 从半波整流器派生全波倍频器
下图说明了从一对相反极性的半波整流器 (a) 中衍生出的全波倍频器。为清楚起见，重新绘制了该对的负整流器 (b)。两者在 (c) 处合并，共享相同的地面。在 (d) 处，负整流器重新接线以与正整流器共享一个电压源。这产生了一个±5 V（4.3 V，带二极管压降）电源；但是，在两个输出之间可以测量到 10 V。移动接地参考点，使 +10 V 相对于接地可用。
全波倍频器：(a) 倍频器对，(b) 重绘，(c) 共享接地，(d) 共享同一电压源。(e) 移动接地点。
# 3. 电压三倍器
电压三倍器（下图）由倍压器和半波整流器（C3、D3）组合而成。半波整流器在节点 3 处产生 5 V (4.3 V)。倍压器在节点 2 和 3 之间提供另一个 10 V (8.4 V)。输出节点 2 处的总电压为 15 V (12.9 V)，相对于地面。网表如下图所示。
由堆叠在单级整流器顶部的倍压器组成的三倍压器。
请注意，下图中的 V(3) 在第一个负半周期上升到 5 V (4.3 V)。由于来自半波整流器的 5 V，输入 v(4) 向上移动了 5 V (4.3 V)。由于钳位器 (C2, D2)，v(1) 处增加了 5 V。D1 将 C1（波形 v(2)）充电至 v(1) 的峰值。
| *SPICE 03283.eps C3 3 0 1000p D3 0 4 二极管 C1 2 3 1000p D1 1 2 二极管 C2 4 1 1000p D2 3 1 二极管 V1 4 3 SIN(0 5 1k) .model 二极管 d .tran 0.01m 5m .end |
电压三倍器：v(3) 半波整流器，v(4) 输入+ 5 V，v(1) 钳位器，v(2) 最终输出。
# 4. 电压四倍频器
_电压四倍频_器是两个倍频器的堆叠组合，如下图所示。每个倍增器提供 10 V (8.6 V) 的串联，节点 2 相对于 20 V (17.2 V) 的接地
网表如下图所示。
电压四倍频器，由两个串联堆叠的倍压器组成，在节点 2 处输出。
四倍频器的波形如下图所示。有两个直流输出可用：v(3)，倍频输出，v(2) 四倍频输出。钳位器上的一些中间电压表明，摆动 5 V 的输入正弦波（未显示）被连续钳位在更高的电平：在 v(5)、v(4) 和 v(1)。严格来说，v(4) 不是钳位器输出。它只是与 v(3) 倍增器输出串联的交流电压源 (opens new window)。尽管如此，v(1) 是 v(4) 的固定版本
| *SPICE 03441.eps *SPICE 03286.eps C22 4 5 1000p C11 3 0 1000p D11 0 5 二极管 D22 5 3 二极管 C1 2 3 1000p D1 1 2 二极管 C2 4 1 1000p D2 3 1 二极管 V1 4 3 SIN(0 5 1k ) .model 二极管 d .tran 0.01m 5m .end |
四倍电压：在 v(3) 和 v(2) 处可用的直流电压。中间波形：钳位器：v(5)、v(4)、v(1)。
# 5. 关于电压倍增器和线路驱动电源的注意事项
关于电压倍增器的一些注释在这一点上是有序的。示例中使用的电路参数（V = 5 V 1 kHz，C = 1000 pf）不提供太多电流，微安。此外，还省略了负载电阻。负载会降低所示电压。如果电路要由低电压的 kHz 源驱动（如示例中所示），则电容器通常为 0.1 至 1.0 µF，因此输出端可提供几毫安的电流。如果乘法器从 50/60 Hz 驱动，则电容器为几百到几千微法，以提供数百毫安的输出电流。如果从线路电压驱动，请注意电容器的极性和电压额定值。
最后，任何直接的线路驱动电源（无变压器）对实验者和线路操作的测试设备都是危险的。商业直接驱动电源是安全的，因为危险电路位于保护用户的外壳中。当用任何电压的电解电容器对这些电路进行试验时，如果极性接反，电容器就会爆炸。此类电路应在安全防护罩后面通电。
# 6. Cockcroft-Walton 乘数
任意长度的级联半波倍增器的电压倍增器称为_Cockcroft-Walton_倍增器，如下图所示。当需要高电压和低电流时使用该乘法器。与传统电源相比的优势在于不需要昂贵的高压变压器——至少没有输出那么高。
Cockcroft-Walton x8 电压倍增器；在 v(8) 处输出。
上图中节点 1 和节点 2 左侧的一对二极管和电容器构成了一个半波倍增器。将二极管逆时针旋转 45度，底部电容器旋转 90度，使其看起来像之前的图 (a)。四个倍增器部分级联到右侧，以获得理论 x8 乘法因子。节点 1 有一个钳位波形（未显示），一个上移 1x (5 V) 的正弦波。其他奇数节点是钳位到连续更高电压的正弦波。节点 2 是第一个倍增器的输出，是下图中的 2x 直流电压 v(2)。连续偶数节点充电到连续更高的电压：v(4)、v(6)、v(8)
| D1 7 8 二极管 C1 8 6 1000p D2 6 7 二极管 C2 5 7 1000p D3 5 6 二极管 C3 4 6 1000p D4 4 5 二极管 C4 3 5 1000p D5 3 4 二极管 C5 2 4 1000p D6 2 3 二极管 D7 1 2 二极管 C6 1 3 1000p C7 2 0 1000p C8 99 1 1000p D8 0 1 二极管 V1 99 0 SIN(0 5 1k) .model 二极管 d .tran 0.01m 50m .end |
Cockcroft-Walton (x8) 波形。输出为 v(8)。
在没有二极管压降的情况下，每个倍增器产生 2Vin 或 10V，考虑到两个二极管压降 (10-1.4)=8.6V 是现实的。对于总共 4 个倍频器，预计 4·8.6=34.4 V 中的 40 V。
[参考上](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt- ABR] (opens new window)还要注意 40 毫秒的时间尺度，而之前的电路是 5 毫秒。电压上升到该电路的终端值需要 40 毫秒。上图中的网表有一个“.tran 0.010m 50m”命令，可以将仿真时间延长到50毫秒；但是，仅绘制了 40 毫秒。
Cockcroft- ABR] (opens new window)此外，该管具有许多_倍增极_，端子需要连接到较低电压的“偶数”节点。乘法器抽头的串联串取代了先前设计的发热电阻分压器。
交流线路供电的 Cockcroft-Walton 倍增器为“离子发生器”提供高电压，用于中和静电荷和空气净化器。
# 7. 电压倍增器评论：
- 电压倍增器产生交流峰值输入电压的直流倍数（2、3、4 等）。
- 最基本的倍增器是半波倍增器。
- 全波倍频器是一种出色的倍频器电路。
- 三倍频器是一个半波倍频器和一个传统的整流级（峰值检测器）。
- 四倍频器是一对半波倍频器
- 一长串半波倍增器被称为 Cockcroft-Walton 倍增器。
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