倍壓器電路簡介

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電壓變化而切換導通或關(guān)閉。直流－直流的倍壓器像交流－直流的倍壓器，只是根據(jù)輸入電壓的正負變化而進行切換，需要驅(qū)動電路來控制其切換，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（不過不是所有）的倍壓器可以視為高倍率倍壓器中的一級，若組合數(shù)個倍壓器，可以達到更高的倍率。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，但其峰對峰的漣波為2Vpk，而且此漣波無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，可用來產(chǎn)生微波爐磁電管需要的高負電壓。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，若在負載開路的條件下，漣波為零，但若負載非開路，漣波則視負載的電阻及電路中的電容而定。格賴納赫電路的第一級為維拉德氏電路，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)明離子計所需的200-300V電源，而當時蘇黎世電廠只能提供110V的交流電［4］。他后來(1920年)將此概念延伸，級聯(lián)后成為多倍壓器［5］［6］［7］。格賴納赫電路的級連常被誤稱為是維拉德級連(Villardcascade)。此電路也被稱為克羅夫特-沃爾頓產(chǎn)生器，因為歐內(nèi)斯特?沃爾頓在和約翰?考克饒夫制作粒子加速器的過程中，也曾在1932年獨立發(fā)現(xiàn)此電路［8］［9］。圖三：兩個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極性相反的格賴納赫電路，可以形成四倍壓電路(quadruplercircuit)?？傒敵鍪强邕^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)的參考點電位不同，不能同時接地［10］。圖三：兩個極性相反時格頓納赫電路Q德隆電路圖四：德隆倍壓電路德隆電路(Deloncircuit)利用橋狀拓撲來進行電壓倍壓［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5kV以上的電壓會有安全上的問題，而且在任何箱體內(nèi)都不具經(jīng)濟效益。不過黑白電視需要10kV的高壓電，彩色電視需要的電壓更高。此時就會使用倍壓器，可能電壓是來自主變壓器的高壓繞組，或是來自回掃變壓器輸出的波形［12］。團三：德隆侶壓電路此電路包括兩個半波的波峰檢波器，動作原理和格賴納赫電路中的相同。兩個波峰檢波器會分別在輸入波形兩個相反的半周內(nèi)動作。因為其輸出是串接的，因此輸出會是輸入電壓的二倍。開關(guān)電容器電路圖五，開關(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脈去驅(qū)動切換用元件，因此可以同時進行倍壓及斬波，這類電路一般稱為開關(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。通常在基板上會有產(chǎn)生時脈訊號的集成電路，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)生時脈［14］。在概念上，圖五也許是最簡單的開關(guān)電容器電路組態(tài)。此處的二個電路并聯(lián)，以相同的電壓充電，接著電源不通到電容器，開關(guān)切換，使兩個電容串聯(lián)，并將串聯(lián)后的電壓接到輸出，即為輸入電壓的兩倍。有許多不同的開關(guān)零件可以用在此電路中，不過在集成電路中多半會選用MOSFET作為開關(guān)零件［15］。圖六，電荷泵倍壓器的電路另一個相關(guān)的概念是電荷泵，圖六是電荷泵的一個版本，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最后會充到電源的二倍?？赡苄枰獛讉€周期才能將CO充飽，但若到達穩(wěn)態(tài)，CP只需要提供很少的電荷，相當于CO提供給負載需要的電荷。當CO切離電容CP時，CO會對負壓放電，因此輸出電壓會有漣波，

若時脈較快，充電時間較短，漣波也會變小，也比較容易濾除。而且對應(yīng)相同的鏈波規(guī)格可以選用較小的電容器。實務(wù)上集成電路中最快的時脈頻率會是數(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)是由級聯(lián)的二極管/電容器單元組成，每個電容器的一側(cè)由時脈訊號驅(qū)動［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，而是用直流輸入和時脈訊號來作為切換信號迪克森多倍倍壓器一般會需要一些單元是由相序相反的時脈來驅(qū)動。不過因為圖七的迪克森位壓器只有一級，因此只需要一個時脈訊號即可［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)比工作電壓低時可以產(chǎn)生工作電壓。集成電路制造時其所有半導體元件都是同一型的，為其優(yōu)點。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。圖八是一個用n通道增強型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(例如快沒電的電池)，這個改善的影響就相當?shù)拇?。若用理想的切換元件，輸出電壓會是輸入電壓的整數(shù)倍(倍壓器為二倍)，但若用一個電池為輸入來源，以MOSFET為開關(guān)，其輸出會遠小于理想值，因為一些電壓在通過二極管時要克服其電壓降，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為導通時其電壓降非常小。不過集成電路設(shè)計者較傾向使用MOSFET，而不是用其他元件來增加電路的復(fù)雜性[19]。例如鋰電池的標準電壓為1.5V,若配合倍壓器，且切換元件沒有壓降，其輸出會是3.0V。不過短路成二極管的MOSFET，導通時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。若再考慮最后一級平滑晶體管的壓降，若不用多級倍壓器，無法作到提升電壓的效果。而肖特基二極管導通時的壓降只有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是輸入電壓可以非常小，像以電池為電源的無線設(shè)備（如呼叫器、藍牙設(shè)備）只用一個電池供電，需要在電池放電到電壓小于1V時，仍可以提供電力[23]。當時脈91為低電位時，晶體管Q2關(guān)閉，同時時脈9為高電位，因此晶體管Q1會導通，使Vin充電到電容C1。當9變成高電位時，C1提升到Vin的二倍，同時開關(guān)S1導通,因此輸出端有電壓，此時Q2導通，使C2充電。在另外半個周期，91為低電位，92為高電位，因此S1導通，S2關(guān)閉，因此輸出電壓2Vin會由此電路的二