电压倍增器详解：倍压、三倍压、四倍压与Cockcroft-Walton设计

电压倍增器是一种特殊整流器，输出直流电压为交流峰值输入的整数倍——常见2×、3×、4×。实际中，100 V峰值交流源配倍压器可得约200 V直流，四倍压器约400 V直流，但实际负载会降低这些数值。

电压倍增器类型

倍压器

多数实验室电源用倍压器将120 V或240 V交流升至约300 V直流。配置为倍压器的全波桥从120 V或240 V市电输出相同直流电压，再经开关稳压器得低压。

半波倍压器

半波倍压器结合钳位器和半波整流器。钳位器将电容C2充至输入负峰值（≈5 V减二极管压降），随后整流器让C2在正半周叠加发电机电压。输出稳定约10 V（含真实二极管压降约8.6 V）。

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

图示：v(4)为输入，v(1)钳位级，v(2)半波整流级，v(3)最终输出。

全波倍压器

将两半波整流器串联堆叠，全波倍压器在负半周充一电容、正半周充另一电容。两电容共同提供倍增电压，纹波耐受性更好。

*SPICE 03273.eps *R1 3 0 100k *R2 5 3 100k D1 0 2 diode D2 2 5 diode C1 3 0 1000p C2 5 3 1000p V1 2 3 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 5m .end

结果：v(5)在单个输入周期内达全输出。

从半波整流器推导全波倍压器

组合两极性相反的半波整流器并重新参考地，得±5 V电源（含二极管压降约±4.3 V）。两输出间电压即10 V。

三倍压器

三倍压器本质是叠加在半波整流器上的倍压器。半波级加~5 V，倍压级加~10 V，相对地总输出~15 V（含二极管压降约12.9 V）。

*SPICE 03283.eps C3 3 0 1000p D3 0 4 diode C1 2 3 1000p D1 1 2 diode C2 4 1 1000p D2 3 1 diode V1 4 3 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 5m .end

四倍压器

堆叠两倍压级得四倍压器。每倍压级贡献~10 V（真实约8.6 V），合成输出~20 V（约17.2 V）。可在中间倍压级和最终级取两路直流输出。

*SPICE 03441.eps *C22 4 5 1000p *C11 3 0 1000p D11 0 5 diode D22 5 3 diode C1 2 3 1000p D1 1 2 diode C2 4 1 1000p D2 3 1 diode V1 4 3 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 5m .end

波形显示逐级钳位升高：v(5)、v(4)、v(1)。

安全与实用考量

• 典型仿真参数（5 V、1 kHz、1 nF）产生微安级电流；毫安级负载电流需在kHz电路用0.1–1.0 µF电容。
• 50/60 Hz市电运行，电容应为数百至数千µF以供应数百毫安。
• 务必遵守电解电容极性和耐压——反接可能爆炸。
• 直供电电路（无变压器）危险；须置屏蔽外壳，无安全防护严禁面包板搭建。

Cockcroft-Walton倍增器

Cockcroft-Walton是半波倍压器的级联。八级（x8）下，扣除二极管压降，可从5 V峰值输入得~30 V。虽每增一级增量电压递减，但该拓扑避免了高压变压器需求。

D1 7 8 diode C1 8 6 1000p D2 6 7 diode C2 5 7 1000p D3 5 6 diode C3 4 6 1000p D4 4 5 diode C4 3 5 1000p D5 3 4 diode C5 2 4 1000p D6 2 3 diode D7 1 2 diode C6 1 3 1000p C7 2 0 1000p C8 99 1 1000p D8 0 1 diode V1 99 0 SIN(0 5 1k) .model diode d .tran 0.01m 50m .end

实际应用包括光电倍增管（高达2000 V）和空气净化离子发生器。串联抽头替代电阻分压器，减少发热、提高效率。

核心要点

• 电压倍增器将交流峰值电压放大为更高直流电平。
• 最简单是半波倍压器；全波倍压器改善纹波性能。
• 三倍压器结合倍压器与峰值检测器；四倍压器堆叠两倍压器。
• Cockcroft-Walton倍增器无需昂贵高压变压器即可提供可扩展高压。

相关工作表

• 求和与差分运放电路工作表