利用倍压整流技术巧获正负双电压电源

崔建国，宁永香

(山西工程技术学院，山西 阳泉 045000)

0 引言

由较高直流电压获取低压直流电源比较简单，要求不高的话，可直接在回路里串联一个电阻实施降压，从而获取降压电源；要求稍高些的话，可利用三端稳压78或79系列模块实现降压输出，效果不错，其输出标定电流可达1.5A左右。

但以上方案只能实现经高电压电源降压输出低电压电源，如希望实现由低压向高压升压输出并不容易，当然可以直接采用专业的DC/DC转换模块，DC/DC模块型号众多，升压、降压皆有相应系列可以选择，甚是方便，但DC/DC模块价格比较昂贵，且体积通常较大，比较挤占空间，不适用于体积较小的电子设备的设计[1]。

如果需要提升直流电压而且应用于输出电流不大的设备中，甚至需要正负两组电源，但只有一套电源的供电装置时，可以利用直流倍压整流技术将现有直流电源升高到近两倍的电压值，需要的话可以再利用三端稳压模块继续稳压，以提供更稳定的直流输出。

1 何谓倍压整流技术

倍压整流电路，就是利用滤波电容的存储作用，由多个电容和二极管可以获得几倍于变压器副边电压的输出电压，称为倍压整流电路。如图1所示，图1是二倍压整流电路。

图1 二倍压整流电路

可见，正是由于电容C1对电荷的存储作用，使输出电压(即电容C2上电压)为变压器副边电压峰值的2倍，利用同样原理可以实现所需倍数的输出电压。

2 利用倍压整流技术巧获正负双电压电源

本设计可以使原直流电源电压升高到近两倍的电压值(无负载时)，电气原理如图2所示，电路以集成电路74HC4049为核心组成一个震荡、缓冲电路，最后由倍压整流电路将原供电电压提升近2倍，74HC4049为一个六反相缓冲器/转换器电路。

图2 利用倍压整流技术巧获正负双电压电源电气原理

由图2可知，该设计包括一个振荡器电路，四个反相器电路组成的缓冲器电路，两个倍压整流电路。

2.1 振荡信号的产生

图2中，由反相器N1、N2及电阻R1、C5组成一个振荡电路，工作原理简述如下：

电路上电瞬间，基于电容端电压不能突变的特性，电容C5上下端皆为“0”V，反相器N1输入端为低电平，N1输出反相为高电平，N2输出反相为低电平，故N1输出的高电平通过电阻R1、N2输出端低电平为电容C5充电，使C5上端电位逐渐升高，同时反相器N1的输入端电位同时逐渐升高。

该电位升高到N1阈值电压(反相器反转电位)再增加一个无穷小量的瞬间，反相器N1输出反转为低电平，N2输出同时反转为高电平，该高电平通过电阻R1、N1输出端为电容C5反向充电(C5上端放电)，基于电容端电压不能突变的特点，C5下端电位突变为高电平的瞬间，C5上端电位为反相器阈值电压与C5下端高电平之和，随着C5反向充电的进行，C5上端电位逐渐降低，当反相器N1输入端电位降低到其阈值电压再减小一个无穷小量时，N1输出再一次反转为高电平，N2输出反转为低电平，为电容C5的正向充电又一次开始。

正是由于电容C5的反复正、反向充电，使电容C5下端或反相器N2输出端电位由低电平—高电平—低电平反复翻转，形成一个方波发生器电路，如图3所示。按图示参数，方波发生器的频率约为10 kHz。

图3 方波发生器

2.2 缓冲器电路

将74HC4049的另外4个反相/缓冲器N3、N4、N5、N6并联连接，即4个反相器输入端连在一起，输出端连在一起，这4个反相器并联后可作为一个缓冲器使用，由于带缓冲器的门电路的转移特性至少是由3级转移特性相乘的结果，因此转换区域窄，形状接近理想矩形，并且不随输入使用端数的情况而变化，加缓冲器的门电路，抗干扰性能提高10%电源电压。此外，带缓冲器的门电路还有输出波形对称、交流电压增益大的特点[3]。

因此4个反相器并联使用，可以提高驱动能力，以降低负载对电路产生的影响。

2.3 倍压整流电路产生正负对称升压电源

在图2的倍压整流电路部分，由电容C1、C2、二极管D1、D2构成倍压整流电路的正电源输出；由电容C3、C4、二极管D3、D4构成倍压整流电路的负电源输出。以倍压整流的正电源输出为例简单说明工作原理。

按照振荡电路时钟信号的不同，图2中A点(即缓冲器的输出端)信号将周期性地有时相当于接地，有时相当于接电源正极，当A点为“地”电位时，电容C1、C2分别通过二极管D1、D2充电到电源电压值[4]。

当A点电位反转为电源正电位时，电容C1将已经充的电的一部分再充到电容C2上，这样就使电容C2上充电的电压幅值几乎为电源电压的两倍，该两倍电源的正电压从B点输出(电容C2的正端)。

根据正电源输出整流电路的原理，只要将二极管D1由接电源改为接地，其它方面将C1、C2、D1、D2的极性反接，那么B点将输出负电压。

图2中电容C3就相当于电容C1的作用，同理，C4就相当于电容C2的作用，二极管D3相当于D1的作用，D4相当于D2的作用，故由电容C3、C4，二极管D3、D4构成的整流电路就可以输出负电源，从C点输出，但只能输出1倍的负电压，原理简单叙述如下。

当A点电位为高电平时，该高电平通过二极管D3，工作地对电容C3充电，电平左正右负；当A点电位翻转为低电平时，基于电容C3端电压不能突变的特性，电容C3右端电位突变为负供电电源电平，该负电平通过二极管D4，工作地为电容C4充电，电平上正下负，该负电压从C点输出，此时C点电位为负的1倍的供电电源电平。

遗憾的是，在以上两种情况下，其输出电压都取决于负载，当负载加大时，输出电压下降，叠加的交流源纹波升高，表1指示出了本电路在负载电流为5 mA，10 mA，15 mA三种情形下测出的输出电压值。

表1 负载电流为5 mA，10 mA，15 mA三种情形下测出的输出电压值

若想得到更大的电流而又不希望增大纹波，可将电容值取得更大些，但C1，C2，C3，C4的电容量必须大致相等。

3 结语

由于本设计振荡电路与缓冲器电路的供电为单电源供电，所以在不接负载的情况下，这时输出的直流负电压幅度值接近电源电压值，而不是倍压电源。

瑕不掩瑜，这种利用倍压整流技术巧获正负双电压电源适用于需提升直流电压而电流不大的设备中，也可用于需对称电源而只有一套电源供电装置中，而且本电源电路简单，而不像一般直流变换器需要一个笨重的变压器，因此较易制作，使用该电源的电子设备在重量、体积方面可以更为轻、巧。