利用倍壓整流技術巧獲正負雙電壓電源

崔建國，寧永香

(山西工程技術學院，山西 陽泉 045000)

0 引言

由較高直流電壓獲取低壓直流電源比較簡單，要求不高的話，可直接在回路里串聯一個電阻實施降壓，從而獲取降壓電源；要求稍高些的話，可利用三端穩壓78或79系列模塊實現降壓輸出，效果不錯，其輸出標定電流可達1.5A左右。

但以上方案只能實現經高電壓電源降壓輸出低電壓電源，如希望實現由低壓向高壓升壓輸出并不容易，當然可以直接采用專業的DC/DC轉換模塊，DC/DC模塊型號眾多，升壓、降壓皆有相應系列可以選擇，甚是方便，但DC/DC模塊價格比較昂貴，且體積通常較大，比較擠占空間，不適用于體積較小的電子設備的設計[1]。

如果需要提升直流電壓而且應用于輸出電流不大的設備中，甚至需要正負兩組電源，但只有一套電源的供電裝置時，可以利用直流倍壓整流技術將現有直流電源升高到近兩倍的電壓值，需要的話可以再利用三端穩壓模塊繼續穩壓，以提供更穩定的直流輸出。

1 何謂倍壓整流技術

倍壓整流電路，就是利用濾波電容的存儲作用，由多個電容和二極管可以獲得幾倍于變壓器副邊電壓的輸出電壓，稱為倍壓整流電路。如圖1所示，圖1是二倍壓整流電路。

圖1 二倍壓整流電路

可見，正是由于電容C1對電荷的存儲作用，使輸出電壓(即電容C2上電壓)為變壓器副邊電壓峰值的2倍，利用同樣原理可以實現所需倍數的輸出電壓。

2 利用倍壓整流技術巧獲正負雙電壓電源

本設計可以使原直流電源電壓升高到近兩倍的電壓值(無負載時)，電氣原理如圖2所示，電路以集成電路74HC4049為核心組成一個震蕩、緩沖電路，最后由倍壓整流電路將原供電電壓提升近2倍，74HC4049為一個六反相緩沖器/轉換器電路。

圖2 利用倍壓整流技術巧獲正負雙電壓電源電氣原理

由圖2可知，該設計包括一個振蕩器電路，四個反相器電路組成的緩沖器電路，兩個倍壓整流電路。

2.1 振蕩信號的產生

圖2中，由反相器N1、N2及電阻R1、C5組成一個振蕩電路，工作原理簡述如下：

電路上電瞬間，基于電容端電壓不能突變的特性，電容C5上下端皆為“0”V，反相器N1輸入端為低電平，N1輸出反相為高電平，N2輸出反相為低電平，故N1輸出的高電平通過電阻R1、N2輸出端低電平為電容C5充電，使C5上端電位逐漸升高，同時反相器N1的輸入端電位同時逐漸升高。

該電位升高到N1閾值電壓(反相器反轉電位)再增加一個無窮小量的瞬間，反相器N1輸出反轉為低電平，N2輸出同時反轉為高電平，該高電平通過電阻R1、N1輸出端為電容C5反向充電(C5上端放電)，基于電容端電壓不能突變的特點，C5下端電位突變為高電平的瞬間，C5上端電位為反相器閾值電壓與C5下端高電平之和，隨著C5反向充電的進行，C5上端電位逐漸降低，當反相器N1輸入端電位降低到其閾值電壓再減小一個無窮小量時，N1輸出再一次反轉為高電平，N2輸出反轉為低電平，為電容C5的正向充電又一次開始。

正是由于電容C5的反復正、反向充電，使電容C5下端或反相器N2輸出端電位由低電平—高電平—低電平反復翻轉，形成一個方波發生器電路，如圖3所示。按圖示參數，方波發生器的頻率約為10 kHz。

圖3 方波發生器

2.2 緩沖器電路

將74HC4049的另外4個反相/緩沖器N3、N4、N5、N6并聯連接，即4個反相器輸入端連在一起，輸出端連在一起，這4個反相器并聯后可作為一個緩沖器使用，由于帶緩沖器的門電路的轉移特性至少是由3級轉移特性相乘的結果，因此轉換區域窄，形狀接近理想矩形，并且不隨輸入使用端數的情況而變化，加緩沖器的門電路，抗干擾性能提高10%電源電壓。此外，帶緩沖器的門電路還有輸出波形對稱、交流電壓增益大的特點[3]。

因此4個反相器并聯使用，可以提高驅動能力，以降低負載對電路產生的影響。

2.3 倍壓整流電路產生正負對稱升壓電源

在圖2的倍壓整流電路部分，由電容C1、C2、二極管D1、D2構成倍壓整流電路的正電源輸出；由電容C3、C4、二極管D3、D4構成倍壓整流電路的負電源輸出。以倍壓整流的正電源輸出為例簡單說明工作原理。

按照振蕩電路時鐘信號的不同，圖2中A點(即緩沖器的輸出端)信號將周期性地有時相當于接地，有時相當于接電源正極，當A點為“地”電位時，電容C1、C2分別通過二極管D1、D2充電到電源電壓值[4]。

當A點電位反轉為電源正電位時，電容C1將已經充的電的一部分再充到電容C2上，這樣就使電容C2上充電的電壓幅值幾乎為電源電壓的兩倍，該兩倍電源的正電壓從B點輸出(電容C2的正端)。

根據正電源輸出整流電路的原理，只要將二極管D1由接電源改為接地，其它方面將C1、C2、D1、D2的極性反接，那么B點將輸出負電壓。

圖2中電容C3就相當于電容C1的作用，同理，C4就相當于電容C2的作用，二極管D3相當于D1的作用，D4相當于D2的作用，故由電容C3、C4，二極管D3、D4構成的整流電路就可以輸出負電源，從C點輸出，但只能輸出1倍的負電壓，原理簡單敘述如下。

當A點電位為高電平時，該高電平通過二極管D3，工作地對電容C3充電，電平左正右負；當A點電位翻轉為低電平時，基于電容C3端電壓不能突變的特性，電容C3右端電位突變為負供電電源電平，該負電平通過二極管D4，工作地為電容C4充電，電平上正下負，該負電壓從C點輸出，此時C點電位為負的1倍的供電電源電平。

遺憾的是，在以上兩種情況下，其輸出電壓都取決于負載，當負載加大時，輸出電壓下降，疊加的交流源紋波升高，表1指示出了本電路在負載電流為5 mA，10 mA，15 mA三種情形下測出的輸出電壓值。

表1 負載電流為5 mA，10 mA，15 mA三種情形下測出的輸出電壓值

若想得到更大的電流而又不希望增大紋波，可將電容值取得更大些，但C1，C2，C3，C4的電容量必須大致相等。

3 結語

由于本設計振蕩電路與緩沖器電路的供電為單電源供電，所以在不接負載的情況下，這時輸出的直流負電壓幅度值接近電源電壓值，而不是倍壓電源。

瑕不掩瑜，這種利用倍壓整流技術巧獲正負雙電壓電源適用于需提升直流電壓而電流不大的設備中，也可用于需對稱電源而只有一套電源供電裝置中，而且本電源電路簡單，而不像一般直流變換器需要一個笨重的變壓器，因此較易制作，使用該電源的電子設備在重量、體積方面可以更為輕、巧。