利用倍壓整流技術(shù)巧獲正負(fù)雙電壓電源

崔建國，寧永香

(山西工程技術(shù)學(xué)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(lián)一個電阻實(shí)施降壓，從而獲取降壓電源；要求稍高些的話，可利用三端穩(wěn)壓78或79系列模塊實(shí)現(xiàn)降壓輸出，效果不錯，其輸出標(biāo)定電流可達(dá)1.5A左右。

但以上方案只能實(shí)現(xiàn)經(jīng)高電壓電源降壓輸出低電壓電源，如希望實(shí)現(xiàn)由低壓向高壓升壓輸出并不容易，當(dāng)然可以直接采用專業(yè)的DC/DC轉(zhuǎn)換模塊，DC/DC模塊型號眾多，升壓、降壓皆有相應(yīng)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(shè)備的設(shè)計[1]。

如果需要提升直流電壓而且應(yīng)用于輸出電流不大的設(shè)備中，甚至需要正負(fù)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(shù)將現(xiàn)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(wěn)壓模塊繼續(xù)穩(wěn)壓，以提供更穩(wěn)定的直流輸出。

1 何謂倍壓整流技術(shù)

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(shí)現(xiàn)所需倍數(shù)的輸出電壓。

2 利用倍壓整流技術(shù)巧獲正負(fù)雙電壓電源

本設(shè)計可以使原直流電源電壓升高到近兩倍的電壓值(無負(fù)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(zhuǎn)換器電路。

圖2 利用倍壓整流技術(shù)巧獲正負(fù)雙電壓電源電氣原理

由圖2可知，該設(shè)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(chǎn)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(zhuǎn)電位)再增加一個無窮小量的瞬間，反相器N1輸出反轉(zhuǎn)為低電平，N2輸出同時反轉(zhuǎn)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(diǎn)，C5下端電位突變?yōu)楦唠娖降乃查g，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(jìn)行，C5上端電位逐漸降低，當(dāng)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(zhuǎn)為高電平，N2輸出反轉(zhuǎn)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(fù)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(fù)翻轉(zhuǎn)，形成一個方波發(fā)生器電路，如圖3所示。按圖示參數(shù)，方波發(fā)生器的頻率約為10 kHz。

圖3 方波發(fā)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(lián)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(lián)后可作為一個緩沖器使用，由于帶緩沖器的門電路的轉(zhuǎn)移特性至少是由3級轉(zhuǎn)移特性相乘的結(jié)果，因此轉(zhuǎn)換區(qū)域窄，形狀接近理想矩形，并且不隨輸入使用端數(shù)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(diǎn)[3]。

因此4個反相器并聯(lián)使用，可以提高驅(qū)動能力，以降低負(fù)載對電路產(chǎn)生的影響。

2.3 倍壓整流電路產(chǎn)生正負(fù)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(gòu)成倍壓整流電路的正電源輸出；由電容C3、C4、二極管D3、D4構(gòu)成倍壓整流電路的負(fù)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(diǎn)(即緩沖器的輸出端)信號將周期性地有時相當(dāng)于接地，有時相當(dāng)于接電源正極，當(dāng)A點(diǎn)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(dāng)A點(diǎn)電位反轉(zhuǎn)為電源正電位時，電容C1將已經(jīng)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(diǎn)輸出(電容C2的正端)。

根據(jù)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(diǎn)將輸出負(fù)電壓。

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

當(dāng)A點(diǎn)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(fù)；當(dāng)A點(diǎn)電位翻轉(zhuǎn)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?yōu)樨?fù)供電電源電平，該負(fù)電平通過二極管D4，工作地為電容C4充電，電平上正下負(fù)，該負(fù)電壓從C點(diǎn)輸出，此時C點(diǎn)電位為負(fù)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(fù)載，當(dāng)負(fù)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(fù)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(fù)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(jié)語

由于本設(shè)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(fù)載的情況下，這時輸出的直流負(fù)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(shù)巧獲正負(fù)雙電壓電源適用于需提升直流電壓而電流不大的設(shè)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(shè)備在重量、體積方面可以更為輕、巧。