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倍压器

倍压器（voltage doubler）是提升电压的电路，利用输入电压将电容器充电，并且利用电路的切换，在理想情形下，可以使电容器的电压恰为输入电压的二倍。

最简单的倍压器是一种特殊的整流器，输入是交流电压，输出是两倍的直流电压，其切换元件为二极管，其切换只是因着输入电压的正负电压变化而切换导通或关闭。直流－直流的倍压器像交流－直流的倍压器，只是根据输入电压的正负变化而进行切换，需要驱动电路来控制其切换，多半也需要可受控的切换元件，例如晶体管。

倍压器是多倍压器电路的一种变形，许多（不过不是所有）的倍压器可以视为高倍率倍压器中的一级，若组合数个倍压器，可以达到更高的倍率。

倍压整流器

维拉德氏电路

 
图一：维拉德氏电路

维拉德氏电路（Villard circuit）得名自保罗·乌尔里希·维拉德（英语：Paul Ulrich Villard）[1]，是由变压器加上电容器及二极管所组成，其架构非常简单，但输出涟波的特性很差，此电路本质上是二极管箝位电路（英语：clamp (circuit)），电容器是由交流电源的负半周（Vpk）充电，输出电压是由输入的交流电压及电容器的稳定直流电压叠加后的结果，此电路在调整输出电压的直流分量，将交流电压的电压最小值调整到0 V（若考虑二极管压降，为−VF），因此交流电压的电压最大值调整到2Vpk，但其峰对峰的涟波为2Vpk，而且此涟波无法用滤波的方式改善，若要改善，就要将倍压器改为较复杂的电路[2]。此电路的二极管若反向，可用来产生微波炉磁电管需要的高负电压。

格赖纳赫电路

 
图二：格赖纳赫电路

格赖纳赫电路（Greinacher circuit）比维拉德氏电路多了一些元件，但其效果有很大的改善，涟波已明显减小，若在负载开路的条件下，涟波为零，但若负载非开路，涟波则视负载的电阻及电路中的电容而定。格赖纳赫电路的第一级为维拉德氏电路，后面是包络检波器，消去大部分的涟波，但保持输出的峰值电压。

此电路最早是由海因里希·格赖纳赫（英语：Heinrich Greinacher）在1913年发明，在1914年发表[3]，目的是提供他新发明离子计（英语：ionometer）所需的200–300 V电源，而当时苏黎世电厂只能提供110V的交流电[4]。他后来（1920年）将此概念延伸，级联后成为多倍压器[5][6][7]。格赖纳赫电路的级连常被误称为是维拉德级连（Villard cascade）。此电路也被称为克罗夫特–沃尔顿产生器（英语：Cockcroft-Walton generator），因为欧内斯特·沃尔顿在和约翰·考克饶夫制作粒子加速器的过程中，也曾在1932年独立发现此电路[8][9]。

 
图三：两个极性相反的格赖纳赫电路

上述电路的概念可以延伸，用一组交流电源提供两个极性相反的格赖纳赫电路，可以形成四倍压电路（quadrupler circuit）。总输出是跨过这两组电路的输出。如同（德隆）桥式电路一様，此电路输入侧和输出侧的参考点电位不同，不能同时接地[10]。

德隆电路

 
图三：德隆倍压电路

德隆电路（Delon circuit）利用桥状拓扑来进行电压倍压[11]。此电路曾经用在阴极射线管的电视中，作为高电压的电源。家用设备上用变压器产生超过5kV以上的电压会有安全上的问题，而且在任何箱体内都不具经济效益。不过黑白电视需要10kV的高压电，彩色电视需要的电压更高。此时就会使用倍压器，可能电压是来自主变压器的高压绕组，或是来自回扫变压器输出的波形[12]。

此电路包括两个半波的波峰检波器，动作原理和格赖纳赫电路中的相同。两个波峰检波器会分别在输入波形两个相反的半周内动作。因为其输出是串接的，因此输出会是输入电压的二倍。

开关电容器电路

 
图五，开关电容器的倍压器是让充电的电容器在并联及串联之间反复切换

可以只用上述提到的二极管和电容电路进行直流电压源的倍压，作法是在倍压器前加上斩波器，在效果上，是在进入位压电路前先将直流电压转换为交流[13]。比较有效率的作法是用外部的时脉去驱动切换用元件，因此可以同时进行倍压及斩波，这类电路一般称为开关电容器电路。这类的电路可以用一些应用是用低电压的电池供电，但集成电路需要的电压较高的情形。通常在基板上会有产生时脉讯号的集成电路，可能只需要一些辅助电路（或其完全不要辅助电路）即可产生时脉[14]。

在概念上，图五也许是最简单的开关电容器电路组态。此处的二个电路并联，以相同的电压充电，接着电源不通到电容器，开关切换，使两个电容串联，并将串联后的电压接到输出，即为输入电压的两倍。有许多不同的开关零件可以用在此电路中，不过在集成电路中，多半会选用MOSFET作为开关零件[15]。

 
图六，电荷泵倍压器的电路

另一个相关的概念是电荷泵，图六是电荷泵的一个版本，电荷泵的电容CP先由电源充电，之后电容CP和电源串联，和输出电容CO充电，因此CO最后会充到电源的二倍。可能需要几个周期才能将CO充饱，但若到达稳态，CP只需要提供很少的电荷，相当于CO提供给负载需要的电荷。当CO切离电容CP时，CO会对负压放电，因此输出电压会有涟波，若时脉较快，充电时间较短，涟波也会变小，也比较容易滤除。而且对应相同的链波规格，可以选用较小的电容器。实务上集成电路中最快的时脉频率会是数百kHz[16]。

迪克森电荷泵

 
图七，迪克森电荷泵的倍压电路

迪克森电荷泵（Dickson charge pump）是由级联的二极管/电容器单元组成，每个电容器的一侧由时脉讯号驱动[p 1]。此电路可视为是科克罗夫特沃尔顿多倍倍压器（Cockcroft-Walton multiplier）的变体，但不用交流讯号，而是用直流输入和时脉讯号来作为切换信号。迪克森多倍倍压器一般会需要一些单元是由相序相反的时脉来驱动。不过因为图七的迪克森位压器只有一级，因此只需要一个时脉讯号即可[17]。

迪克森位压器常用在集成电路中，在电源电压（可能由电池提供）比工作电压低时可以产生工作电压。集成电路制造时其所有半导体元件都是同一型的，为其优点。许多集成电路中的基础逻辑方块是MOSFET，因此二极管常用MOSFET代替，但短接后有像二极管一样的特性，称为diode-wired MOSFET。图八是一个用n通道增强型MOSFET代替二极管的迪克森电荷泵[18]。

 
图八，利用MOSFET短路成二极管（diode-wired MOSFET）组成的迪克森电荷泵倍压电路

有许多针对迪克森多倍倍压器的修改及提升，许多都着重在减少晶体管的源-泄极电压，若输入电压很小时（例如快没电的电池），这个改善的影响就相当的大。若用理想的切换元件，输出电压会是输入电压的整数倍（倍压器为二倍），但若用一个电池为输入来源，以MOSFET为开关，其输出会远小于理想值，因为一些电压在通过二极管时要克服其电压降，因此被消耗掉了。若电路是用分立元件组成，比较适合用肖特基二极管作为切换元件，因为导通时其电压降非常小。不过集成电路设计者较倾向使用MOSFET，而不是用其他元件来增加电路的复杂性[19]。

例如锂电池的标准电压为1.5V，若配合倍压器，且切换元件没有压降，其输出会是3.0 V。不过短路成二极管的MOSFET，导通时的闸极临限电压至少是0.9 V.[20]。倍压器只能将输出从0.6 V提升到2.1 V。若再考虑最后一级平滑晶体管的压降，若不用多级倍压器，无法作到提升电压的效果。而肖特基二极管导通时的压降只有0.3 V[21]。用肖特基二极管的倍压器可以将电压提升到2.7 V，过平滑二极管后也有2.4 V[22]。

交叉耦合切换式电容器

 
图九，交叉耦合切换式电容倍压电路

交叉耦合切换式电容器的特点是输入电压可以非常小，像以电池为电源的无线设备（如呼叫器、蓝牙设备）只用一个电池供电，需要在电池放电到电压小于1V时，仍可以提供电力[23]。

当时脉 为低电位时，晶体管Q2关闭，同时时脉 为高电位，因此晶体管Q1会导通，使Vin充电到电容C1。当 变成高电位时，C1提升到Vin的二倍，同时开关S1导通，因此输出端有电压，此时Q2导通，使C2充电。在另外半个周期， 为低电位， 为高电位，因此S1导通，S2关闭，因此输出电压2Vin会由此电路的二个部分轮流输出[24]。

此电路中没有短路成二极管MOSFET，因此也没有闸极临限电压的问题，为其优点。此电路的另一个优点是涟波频率加倍，原因是因着时脉相位的不同，此电路可以等效为是二个倍压器轮流提供输出电压。不过其杂散电容较迪克森电荷泵大很多，而且电路的损耗也比较大[25]。

相关条目

参考资料

  1. ^ Villard, P., Transformateur à haut voltage. A survolteur cathodique [High-voltage transformer. Cathodic voltage booster], Journal de Physique Théorique et Appliquée, 4th series, 1901, 10: 28–32 （法语） . Villard's voltage booster appears in Fig. 1 on p. 31.
  2. ^ Kind & Feser 2001，第28页
  3. ^ Greinacher, H., Das Ionometer und seine Verwendung zur Messung von Radium- und Röntgenstrahlen [The ionometer and its application to the measurement of radium- and Röntgen rays], Physikalische Zeitschrift, 1914, 15: 410–415 [2015-02-11], （原始内容存档于2021-05-24） （德语） . Greinacher's voltage doubler appears in Fig. 4 on p. 412. He used chemical (electrolytic) rectifiers, which are denoted "Z" (Zellen, cells).
  4. ^ Mehra, p. 284
  5. ^ Greinacher, H., Über eine Methode, Wechselstrom mittels elektrischer Ventile und Kondensatoren in hochgespannten Gleichstrom umzuwandeln [On a method to transform a.c. current via electrical diodes and capacitors into high-voltage d.c. current], Zeitschrift für Physik, 1921, 4 (2): 195–205 （德语） 
  6. ^ Kind & Feser 2001，第29页
  7. ^ In 1919, a year before Greinacher published his voltage multiplier, the German Moritz Schenkel published a multi-stage voltage multiplier.
    • Schenkel, Moritz, Eine neue Schaltung für die Erzeugung hoher Gleichspannungen [A new circuit for the creation of high d.c. voltages], Elektrotechnische Zeitschrift, July 10, 1919, 40 (28): 333–344 （德语） 
    • A condensed version of Schenkel's article — with an illustration of the circuit — appeared in: "Eine neue Schaltung für die Erzeugung hoher Gleichspannungen," Polytechnische Schau, 334 : 203-204 (1919). Available on-line at: Polytechnisches Journal （页面存档备份，存于互联网档案馆）.
  8. ^ Cockcroft, J. D.; Walton, E. T. S., Experiments with high velocity positive ions. (1) Further developmennts in the method of obtaining high velocity positive ions, Proceedings of the Royal Society A, 1932, 136: 619–630 
  9. ^ Kind & Feser 2001，第30页
  10. ^ Ryder 1970，第107页
  11. ^ Jules Delon (1876-1941) was an engineer for the French company Société française des câbles électriques Berthoud-Borel. He used a mechanical rectifier, which was based on a rotating commutator (contact tournant).
  12. ^ Kories and Schmidt-Walter, p.615
    Millman and Halkias, p. 109
    Wharton and Howorth, pp. 68–69
  13. ^ McComb, pp.148-150
  14. ^ Liu 2006，第225-226页
  15. ^ Ahmed, p.164
  16. ^ Zumbahlen, p.741
  17. ^ Liu 2006，第226页
    Yuan, pp.13-14
  18. ^ Liu 2006，第226页
    Yuan, p.14
  19. ^ Liu 2006，第228-232页
    Yuan, 14-21
  20. ^ Liou et al., p.185
  21. ^ Bassett & Taylor 2003，第17/27页
  22. ^ Yuan, p.17
  23. ^ Peluso et al., pp.36-37
    Liu 2006，第232-234页
  24. ^ Campardo et al., p.377
    Peluso et al., p.36
    Liu 2006，第234页
  25. ^ Peluso et al., p.36
    Liu 2006，第234页

参考书目

  • Ahmed, Syed Imran Pipelined ADC Design and Enhancement Techniques, Springer, 2010 ISBN 90-481-8651-X.
  • Kind, Dieter; Feser, Kurt, translator Y. Narayana Rao , 编, High-voltage Test Techniques, Newnes, 2001, ISBN 0-7506-5183-0 
  • Kories, Ralf; Schmidt-Walter, Heinz Taschenbuch der Elektrotechnik: Grundlagen und Elektronik, Deutsch Harri GmbH, 2004 ISBN 3-8171-1734-5.
  • Liu, Mingliang, Demystifying Switched Capacitor Circuits, Newnes, 2006, ISBN 0-7506-7907-7 
  • Millman, Jacob; Halkias, Christos C. Integrated Electronics, McGraw-Hill Kogakusha, 1972 ISBN 0-07-042315-6.
  • Ryder, J. D., Electronic Fundamentals & Applications, Pitman Publishing, 1970, ISBN 0-273-31491-2 
  • Wharton, W.; Howorth, D. Principles of Television Reception, Pitman Publishing, 1971 ISBN 0-273-36103-1.

主要来源

  1. ^ Dickson, John F., On-chip high-voltage generation in MNOS integrated circuits using an improved voltage multiplier technique, IEEE Journal of Solid-State Circuits, July 1976, 11 (3): 374–378, doi:10.1109/jssc.1976.1050739 
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