电压倍增器

电压倍增器是一种二极管整流电路，能够产生比输入电压高许多倍的输出电压。

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在关于整流器的教程中，我们看到整流器控制的直流输出电压低于主输入电压。然而，电压倍增器是一种特殊的二极管整流电路，能够产生比输入电压高许多倍的输出电压。

虽然在电子电路中通常使用电压变压器来增加电压，但有时可能无法获得适用于高压应用的合适升压变压器或特殊绝缘变压器。一种替代方法是使用二极管电压倍增电路，它可以在不使用变压器的情况下增加或“提升”电压。

电压倍增器在许多方面与整流器相似，因为它们将交流电压转换为直流电压，用于许多电气和电子电路应用，如微波炉、阴极射线管的强电场线圈、静电和高压测试设备等，这些应用需要从相对较低的交流电源产生非常高的直流电压。

通常，整流电路的直流输出电压（Vdc）受其正弦输入电压的峰值限制。但是，通过结合使用整流二极管和电容器，我们可以有效地倍增输入峰值电压，从而产生等于交流输入电压峰值值的奇数或偶数倍的直流输出电压。考虑以下基本电压倍增电路。

全波电压倍增器

上述电路显示了一个由两个半波整流电路组成的基本对称电压倍增电路。通过在标准半波整流器的输出端添加第二个二极管和电容器，我们可以将其输出电压增加一定量。这种类型的电压倍增配置被称为全波串联倍增器，因为每个半周期中都有一个二极管导通，与全波整流电路相同。

当正弦输入电压为正时，电容器C1通过二极管D1充电；当正弦电压为负时，电容器C2通过二极管D2充电。输出电压2VIN取自两个串联连接的电容器。

理论上，电压倍增电路产生的电压是无限的，但由于其相对较差的电压调节和低电流能力，通常设计为将电压增加不到十倍。然而，如果围绕合适的变压器正确设计，电压倍增电路能够产生几百到几万伏的输出电压，具体取决于其原始输入电压值，但所有电流都在毫安范围内。

电压倍增器

顾名思义，电压倍增器是一种电压倍增电路，其电压倍增系数为二。该电路仅由两个二极管、两个电容器和一个振荡的交流输入电压（也可以使用PWM波形）组成。这个简单的二极管-电容器泵电路产生的直流输出电压等于正弦输入的峰峰值。换句话说，由于二极管和电容器共同作用，电压被有效地加倍。

直流电压倍增电路

那么它是如何工作的呢？该电路显示了一个半波电压倍增器。在正弦输入波形的负半周期期间，二极管D1正向偏置并导通，将泵电容器C1充电至输入电压的峰值（Vp）。由于电容器C1没有放电回路，它保持完全充电状态，作为与电压源串联的存储设备。同时，二极管D2通过D1导通，为电容器C2充电。

在正半周期期间，二极管D1反向偏置，阻止C1放电，而二极管D2正向偏置，为电容器C2充电。但由于电容器C1上已经有一个等于输入电压峰值的电压，电容器C2充电至输入信号峰值电压的两倍。

换句话说，V（正峰值）+ V（负峰值），因此在负半周期，D1将C1充电至Vp，而在正半周期，D2将交流峰值电压加到C1上的Vp，并将其全部转移到C2。电容器C2上的电压通过负载放电，为下一个半周期做好准备。

然后，电容器C2上的电压可以计算为：Vout = 2Vp（当然减去所用二极管的电压降），其中Vp是输入电压的峰值。请注意，这个双倍输出电压不是瞬时的，而是在每个输入周期上缓慢增加，最终稳定在2Vp。

由于电容器C2仅在输入波形的一个半周期内充电，因此放电到负载中的输出电压具有等于电源频率的纹波频率，因此称为半波电压倍增器。这样做的缺点是，与半波整流电路类似，可能难以平滑这种大的纹波频率。此外，电容器C2必须具有至少两倍于输入电压峰值的直流电压额定值。

“电压倍增电路”的优点是，它允许从低电压电源创建更高的电压，而无需昂贵的高压变压器，因为电压倍增器电路使得可以使用比普通全波电源所需的升压比更低的变压器。然而，虽然电压倍增器可以提升电压，但它们只能向高电阻（+100kΩ）负载提供低电流，因为随着负载电流的增加，生成的输出电压会迅速下降。

通过反转电路中二极管和电容器的方向，我们还可以反转输出电压的方向，从而产生负电压输出。此外，如果我们将一个倍增电路的输出连接到另一个倍增电路的输入（级联），我们可以继续以整数步长增加直流输出电压，从而产生电压三倍器或电压四倍器电路等，如图所示。

直流电压三倍器电路

通过在上述半波电压倍增器电路中添加一个额外的单二极管-电容器级，我们可以创建另一个电压倍增电路，将其输入电压增加三倍，从而产生所谓的电压三倍器电路。

“电压三倍器电路”由一个半电压倍增器级组成。该电压倍增电路产生的直流输出等于正弦输入信号峰值电压值的三倍（3Vp）。与之前的电压倍增器一样，电压三倍器电路中的二极管根据输入半周期的方向充电并阻止电容器的放电。然后，1Vp降在C3上，2Vp降在C2上，由于两个电容器串联，负载看到的电压相当于3Vp。

请注意，实际输出电压将是输入电压峰值的三倍减去所用二极管的电压降，即3Vp – V（二极管）。

如果可以通过级联一个半电压倍增器来制作电压三倍器电路，那么可以通过级联两个完整的电压倍增器电路来构建电压四倍器电路，如图所示。

直流电压四倍器电路

第一个电压倍增级将输入电压峰值加倍，第二个级再次将其加倍，从而产生等于正弦输入信号峰值电压值四倍（4Vp）的直流输出。此外，使用大容量电容器将有助于减少纹波电压。

电压倍增器总结

我们已经看到，电压倍增器是由二极管和电容器组成的简单电路，可以将输入电压增加两倍、三倍或四倍，并通过将单独的半级或全级倍增器级联在一起，以向给定负载提供所需的直流电压，而无需使用升压变压器。

电压倍增电路根据输出电压与输入电压的比率分为电压倍增器、三倍器或四倍器等。理论上，可以获得任何所需的电压倍增量，并且“N”个倍增器的级联将产生2N.Vp伏的输出电压。

例如，一个具有100伏峰值输入电压的10级电压倍增电路将产生约1,000伏或1kV的直流输出电压，假设没有损耗，且不使用变压器。

然而，所有倍增电路中使用的二极管和电容器需要具有至少两倍于其两端峰值电压的最小反向击穿电压额定值，因为多级电压倍增电路可以产生非常高的电压，因此要小心。此外，电压倍增器通常向高电阻负载提供低电流，因为随着负载电流的增加，输出电压会迅速下降。

上面显示的电压倍增电路都设计为提供正直流输出电压。但它们也可以通过简单地反转所有倍增二极管和电容器的极性来设计为提供负电压输出，从而产生负电压倍增器。