电压倍增器（倍增器、三倍器、四倍器等）

电压倍增器 是一种专门的整流电路，产生的输出理论上是交流峰值输入的整数倍，例如交流峰值输入的 2、3 或 4 倍。因此，可以使用倍频器从 100 Vpeak 交流电源获得 200 VDC，从四倍器获得 400 VDC。实际电路中的任何负载都会降低这些电压。

我们将首先讨论几种类型的电压倍增器——倍压器（半波和全波）、电压三倍器和电压四倍器——然后做一些关于电压倍增器安全性的一般说明，最后介绍 Cockcroft-Walton 倍增器。

电压倍增器

倍压器应用是能够使用 240 VAC 或 120 VAC 电源的直流电源。该电源使用开关选择的全波桥从 240 VAC 电源产生大约 300 VDC。开关的 120 V 位置将电桥重新布线为倍压器，从 120 VAC 产生约 300 VDC。在这两种情况下，都会产生 300 VDC。这是开关稳压器的输入，可产生较低的电压，例如为个人计算机供电。

半波倍压器

下图（a）中的半波倍压器由两个电路组成：（b）处的钳位器和图之前的峰值检测器（半波整流器），其修改形式如下图（c）所示。峰值检测器（半波整流器）增加了C2。

半波倍压器(a)由(b)钳位器和(c)半波整流器组成。

半波倍压器工作电路分析

参考上图 (b)，C2 在交流输入的负半周充电至 5 V（考虑到二极管压降为 4.3 V）。右端通过导电 D2 接地。左端在交流输入的负峰值处充电。这是钳子的操作。

在正半周期间，半波整流器在上图（c）中发挥作用。二极管 D2 不在电路中，因为它是反向偏置的。 C2 现在与电压源串联。注意发电机和 C2 的极性，串联辅助。因此，整流器 D1 在正弦波的峰值处看到总共 10 V 的电压，来自发生器的 5 V 电压和来自 C2 的 5 V 电压。 D1 传导波形 v(1)（下图），将 C1 充电到 5 V DC 上的正弦波的峰值（下图 v(2)）。波形 v(2) 是倍频器的输出，在几个正弦波输入周期后稳定在 10 V（二极管压降为 8.6 V）。

*SPICE 03255.eps C1 2 0 1000p D1 1 2 二极管 C2 4 1 1000p D2 0 1 二极管 V1 4 0 SIN(0 5 1k) .model 二极管 d .tran 0.01m 5m .end 

电压倍增器：v(4) 输入。 v(1) 钳位阶段。 v(2) 半波整流级，即倍频输出。

全波倍压器

全波倍压器 由一对串联堆叠的半波整流器组成。 （下图）对应的网表如下图

全波倍压器运行分析

底部整流器在输入的负半周对 C1 充电。顶部整流器在正半周对 C2 充电。每个电容器的电荷为 5 V（考虑二极管压降为 4.3 V）。节点 5 的输出是 C1 + C2 或 10 V 的串联总和（二极管压降为 8.6 V）。

*SPICE 03273.eps *R1 3 0 100k *R2 5 3 100k D1 0 2 二极管 D2 2 5 二极管 C1 3 0 1000p C2 5 3 1000p V1 2 3 SIN(0 5 1k) .tran 0 二极管 .1 模型m 5m .end 

全波倍压器由两个交替极性的半波整流器组成。

请注意，下图的输出 v(5) 在输入 v(2) 偏移的一个周期内达到完整值。

全波倍压器：v(2) 输入，v(3) 中点电压，v(5) 输出电压

从半波整流器推导出全波倍频器

下图说明了从一对相反极性的半波整流器 (a) 推导出全波倍频器。为清晰起见（b）重新绘制了该对的负整流器。两者在 (c) 处合并，共享相同的接地。在 (d) 处，负整流器重新接线以与正整流器共享一个电压源。这会产生 ±5 V（4.3 V 二极管压降）电源；不过，在两个输出之间可测量 10 V。移动接地参考点，使 +10 V 相对于接地可用。

全波倍频器：(a) 倍频器对，(b) 重绘，(c) 共享接地，(d) 共享相同的电压源。 (e) 移动地面点。

电压三倍器

电压三倍器 （下图）由倍频器和半波整流器（C3、D3）组合而成。半波整流器在节点 3 处产生 5 V (4.3 V)。倍压器在节点 2 和 3 之间提供另外 10 V (8.4 V)。输出节点 2 处的总电压为 15 V (12.9 V)，相对于地面。网表如下图。

电压三倍器由堆叠在单级整流器上的倍压器组成。

请注意，下图中的 V(3) 在第一个负半周上升到 5 V (4.3 V)。由于来自半波整流器的 5 V 电压，输入 v(4) 向上移动了 5 V (4.3 V)。由于钳位器（C2，D2），在 v(1) 处增加了 5 V。 D1 将 C1（波形 v(2)）充电到 v(1) 的峰值。

*SPICE 03283.eps C3 3 0 1000p D3 0 4 二极管 C1 2 3 1000p D1 1 2 二极管 C2 4 1 1000p D2 3 1 二极管 V1 4 3 SIN(0 5 1k) .model 二极管 0 d.0 m . .end 

电压三倍器：v(3) 半波整流器，v(4) 输入 + 5 V，v(1) 钳位器，v(2) 最终输出。

电压四倍频

电压四倍频器 是下图所示的两个倍频器的堆叠组合。每个倍压器提供 10 V (8.6 V)，用于节点 2 的串联总电压，相对于 20 V (17.2 V) 的接地电压

网表如下图。

电压四倍频器，由两个串联堆叠的倍频器组成，输出在节点 2。

四倍器的波形如下图所示。有两个 DC 输出可用：v(3)，倍频输出，v(2)，四倍频输出。钳位器上的一些中间电压表明，摆动 5 V 的输入正弦波（未显示）被连续钳位在更高的电平：在 v(5)、v(4) 和 v(1)。严格来说，v(4) 不是钳位输出。它只是与 v(3) 倍增器输出串联的交流电压源。尽管如此，v(1) 是 v(4) 的钳制版本

*SPICE 03441.eps *SPICE 03286.eps C22 4 5 1000p C11 3 0 1000p D11 0 5 二极管 D22 5 3 二极管 C1 2 3 1000p D1 1 2 二极管 C2 4 1 D 2 13 V 二极管 ( 0 5 1k) .model 二极管 d .tran 0.01m 5m .end 

电压四倍频器：在 v(3) 和 v(2) 处可用的直流电压。中间波形：钳子：v(5)、v(4)、v(1)。

电压倍增器和线路驱动电源的注意事项

关于电压倍增器的一些注意事项在这一点上是有序的。示例中使用的电路参数（V =5 V 1 kHz，C =1000 pf）不提供太多的电流，微安。此外，省略了负载电阻器。加载会降低所示电压。如果电路由 kHz 源以低电压驱动，如示例中所示，电容器通常为 0.1 至 1.0 µF，以便在输出端提供毫安电流。如果乘法器从 50/60 Hz 驱动，则电容器需要几百到几千微法拉才能提供数百​​毫安的输出电流。如果由线电压驱动，请注意电容器的极性和电压额定值。

最后，任何直接线路驱动的电源（无变压器）对实验者和线路操作的测试设备都是危险的。商用直接驱动电源是安全的，因为危险电路位于外壳中以保护用户。当用任何电压的电解电容器对这些电路进行试验时，如果极性颠倒，电容器就会爆炸。此类电路应在安全防护罩后面通电。

Cockcroft-Walton 乘数

任意长度的级联半波倍频器的电压倍增器被称为 Cockcroft-Walton 乘数如下图所示。当需要低电流高电压时使用该乘法器。与传统电源相比，它的优势在于不需要昂贵的高压变压器——至少不像输出那么高。

Cockcroft-Walton x8 电压倍增器；在 v(8) 处输出。

上图中节点 1 和 2 左侧的二极管和电容器对构成了半波倍增器。将二极管旋转 45 ^o 逆时针，底部电容90 ^o 使它看起来像之前的图（a）。四个倍增器部分级联到右侧以获得理论 x8 倍增因子。节点 1 有一个钳位波形（未显示），一个上移 1x (5 V) 的正弦波。其他奇数节点是正弦波，被钳位到连续更高的电压。节点 2，第一个倍增器的输出，是下图中的 2 倍直流电压 v(2)。连续的偶数节点充电到连续更高的电压：v(4), v(6), v(8)

D1 7 8 二极管 C1 8 6 1000p D2 6 7 二极管 C2 5 7 1000p D3 5 6 二极管 C3 4 6 1000p D4 4 5 二极管 C4 3 5 1000p D5 3 4 二极管 C5 2 4 D 67 1000 3 p 二极管二极管 C6 1 3 1000p C7 2 0 1000p C8 99 1 1000p D8 0 1 二极管 V1 99 0 SIN(0 5 1k) .model 二极管 d .tran 0.01m 50m .end 

Cockcroft-Walton (x8) 波形。输出是 v(8)。

在没有二极管压降的情况下，每个倍增器产生 2Vin 或 10V，考虑到两个二极管压降 (10-1.4)=8.6V 是现实的。对于总共 4 个倍频器，预计 40 V 中的 4·8.6=34.4 V。

参考上图，v(2) 差不多；然而，v(8) 小于 30 V，而不是预期的 34.4 V。Cockcroft-Walton 乘法器的祸根是每个额外的阶段都比前一阶段增加的要少。因此，存在对级数的实际限制。可以通过修改基本电路来克服这个限制。 [ABR] 还要注意 40 毫秒的时间标度，而之前电路的时间标度为 5 毫秒。电压上升到该电路的终端值需要 40 毫秒。上图中的网表有一个“.tran 0.010m 50m”命令，可以将仿真时间延长到50毫秒；不过，只绘制了 40 毫秒。

Cockcroft-Walton 倍增器可作为需要高达 2000 V 的光电倍增管的更高效的高压源。[ABR] 此外，该管有许多倍增极 , 端子需要连接到较低电压的“偶数”节点。串联的乘法器抽头串取代了先前设计的发热电阻分压器。

交流线路操作的 Cockcroft-Walton 倍增器为“离子发生器”提供高电压，用于中和静电荷和空气净化器。

电压倍增器评论：

• 电压倍增器产生交流峰值输入电压的直流倍数（2、3、4 等）。
• 最基本的乘法器是半波倍增器。
• 全波双频是一种出色的倍频电路。
• 三倍器是一个半波倍频器和一个传统的整流器级（峰值检测器）。
• 四倍频器是一对半波倍频器
• 一长串半波倍增器被称为 Cockcroft-Walton 乘法器。

相关工作表：

• 夏季和减法器运算放大器电路工作表