低压直流供电电路中高压直流的产生

发表时间：2024-08-01 22:15:15 来源：现代极简系列

　　供电线路特别是电子电路中，电路的绝大部分使用由电源提供的低压，但在线路的某一个部分或某几个部位，需要供高于电源的

　　电压，若将整个线路的供电电压提高，既要重新更换或设计电源，又会给整个电路的部件提出更高耐压的要求：若不提高电源电压，需要高电压的电路部分又异常工作，本文就基于整个

　　以低压直流作基础产生较高的直流电压，常见的方式有3种类型：利用电容充电后再垫高负极电位，即自举升压；利用电感产生的自感电动势对电容强制充电；利用振荡电路将直流变为交流或直流脉冲，再通过倍压整流产生高压。

　　电容被电源E充电后，其正、负极之间将维持一定的电压Uc=U+-U-=E，若负极电位为零，即U-=0，则正极电位与电容上充的电压相等，U+=Uc；若充电完毕后，将负极接到某一电位U0上，尽管此时电容上的电压不变，但其正极电位就等于电容上的电压与负极所接电位之和，即U+=Uc+U0，从而能够实现U+E，即得到高于电源的电压，有时将这种升压方式叫自举升压。

　　在黑白电视机中，整机内部采用12 V直流供电，但为了改善行扫描的线性，需要提高行输出级上的行偏转使用的电压，一般是将电源12 V提高到24 V左右加到偏转线所示：该图是黑白电视机的行输出级电路，整体看该级使用的电源为12 V，但工作时经过电容C0、二极管D0、电感L0组成的升压电路转换，行输出管集电极c实际得到的直流电压为24 V左右，即行偏转线 V左右，达到了改善行线性的目的。

　　原理为：行输出管T在行脉冲的作用下工作于开关状态，因而其集电极流过的是脉冲电流，当T导通时，电流经升压二极管D0、行输出变压器Tr的初级线的下半部流过，并产生上正下负的自感电动势e1=12 V，上部自然会感应出电动势e2方向亦为上正下负，若D0的负极接在L0的中点，则有e2=e1(若不在中点，则有e2e1或e2e1)，该电动势会通过D0对C0充电，使电容C0上出现大小与e2相等的电压，即升压电容C0上会维持12 V的电压，而C0的负极与电源12 V相连，这样C0正极对地的实际电位应是12 V电源电压与C0上电压之和，即可达到24 V，若用万用表的直流电压档测量，行输出管T集电极、电容Cs上的直流电压均为24 V，从而实现了提升局部供电电压的目标，达到了改善行线既给电源提供了向输出级输入能量的通道，同时又隔离了24 V倍压与12 V电源电压。显然，若D0的负极不是连接在L0的中间点，例如上部匝数偏多，则C0上的电压会大于12 V，最终的升压可能会大于24 V，反之则低于24 V。

　　T1，T2为2只互补型的功放管，静态时A点电压，因而C0上有Ec／2的电压。信号注入后，T1，T2交替放大信号的前、后半周，为了确保T1在放大信号时导通角达到180°(小于180°会引起交越失线在半个周期内基极与发射极之间的偏压几乎恒定，不能小于发射结的导通电压，否则T1管会提前截止，从图2中可以看出T1导通时，电源Ec经T1会对C0充电，尽管C0的容量较大，但随着充电的进行，C0上的电压，即A点对地电压势必也会上升，若T1基极电压不随A点电位上升，T1的发射结偏压会下降，就会使T1提前截止。为此在A，B两点接一容量较大的电容C1，由于C1上已充上了Ec／2的电压，且其容量较大，故当A点电位上升时，相当于C1负极电位被垫高，正极电位也自然升高，则B点电位会上升到高于Ec的程度。B点电位升高经R1带动T1基极电位的升高，这样就保证T1发射结偏压不会由于A点电位的升高而下降，故C1称自举升压电容，R1是隔离电阻，可以确保A点电压瞬间升高时B点电压可以高于电源电压Ec。

　　在手机读卡电路上要用到5 V的电压，而手机所用电池早期为4.8 V，现在的手机均为3.6 V，因电池电压往往随所剩电量的多少有所变化，为确保手机工作稳定，不因电池电压的变化而影响通话质量，电池电压并未直接供给手机各部分使用，而是通过稳压IC变为3.2 V，2.8 V，3 V等更低的电压供各部分使用。在这种情况下就需要通过升压电路将3 V左右的电压升为5 V。如图3(a)所示，是用在爱立信788手机上的升压电路。

　　N750为一电子开关电路，型号为C70851，电压从2脚输入后，内部电子电路开始工作，能轻松实现将第1，8脚接的电容C750与第4，5脚接的电容C751定时相并联、相串联，也就是使两电容交替性地相并联、相串联。+3 V的电源经R607，C606，R751，C757组成的RC滤波网络后，电压约为2.5 V送入N750的2脚，首先C752，C751处于并联状态，2.5 V的电源对其充电，使两电容上均出现2.5 V的电压，然后经内部电子开关转换使C751与C752处于串联状态，并且其中一支的负极与另一支的正极相连，如图3(b)，(c)所示，这样两电容上的总电压成为5 V，经电容滤波后从第3脚输出，供SIM卡电路使用。

　　电感产生的自感电动势的大小ε=L×di／dt，即电感量大小一定后，自感电动势的大小只与电感中电流的变化速度有关，而与电感上原来施加的电压无关。若电感中注入电流脉冲，当频率高到一定程度时，无论电感上施加的电压如何，上面就会产生远高于施加电压的自感电动势，然后再对这一感应电动势产生的电流进行整流，并对电容充电就会输出一较高的直流电压。

　　在上述图1所示的行输出级电路中，产生的24 V倍压直流不仅用于改善行线性，其实在电视机中该级还承担着产生10 000 V直流高压的任务。该电压由行输出变压器次级输出，加到显像管上形成光栅，其产生过程为：由于行管的集电极有24 V的倍压，该电压同样也出现在与行管T的c，e极相连的电容Cs上，工作时行输出管处于开关工作状态，当T导通时，Cs放电，电流经Ly，T的c，e极流过；当T截止后，由于Ly中的电流急剧变小，内部产生的较大的自感电动势，促使电流还要继续流动以释放电感上的磁能。由于此时T已截止，故刚刚通过T流动的电流，会对逆程电容C1做强制性的充电，最终Ly上的磁能会转化为C1上的电场能，根据可知，能量一定后，适当选取C1的容量小一点，就可以使电容上的电压u=Q／C变得较高，即在电容上会出现较高的脉冲电压。该电压以行频率出现，幅值可达200 Vpp左右，由于C1与行输出变压器Tr的初级相并联，故该脉冲又相当于直接加到了Tr的初级，再经Tr次级升压可得一万多伏的脉冲，通过高压整流二极管整流，即可得到一万多伏的直流电压。

　　如图4所示，是摩托罗拉V998电源模块U900的升压电路。由于该机供电电池电压为3.6 V，故内部使用的+B约3.6 V，但手机有些电路需用+5 V的电压，为此在电源模块的C5，B6端，要通过B10端得到5.6 V直流电压。方法是：+B经L901接到U900的B10端，B10端内部等效于与地断续相连的电子开关，当B10端与地相连时，电源电流流经L901入地。显然，电感L901上施加的电压为+B，当电流达到一定数值时，B10内的电子开关突然与地断开，L901上的电流会突然变小而产生较强的自感电动势ε，该电动势的方向为左负右正，该电动势经整流管CR901对电容C934充电，使C934上瞬时出现峰值接近于自感电动势的电压，B10内下次与地接通后，电源电流又经L901流向B10内部，C934上刚才充的电压由于CP901的存在而将C934与B10引脚隔离开，使C934上维持约5.6 V的直流电压，并通过C5、B6端向U900供电。

　　倍压整流是对直流脉冲或交流而言的，在直流电路中要通过倍压整流电路将较低的电压转换为较高的电压，就需将低压直流首先通过振荡电路转换出直流脉冲或交流，然后通过二极管及电容组成倍压整流得到较高直流电压。

　　如图5所示，是爱立信788中文手机显示屏显示偏压生成电路，该屏正常工作时需要-5 V的显示偏压VLCD，而整机电路使用的是3 V左右的电压，-5 V的显示偏压VLCD产生过程是利用CPU D脚输出2.5 V左右的脉冲经倍压整流最后得到5 V左右的直流。95959696交替输出幅值约2.5 V的矩形脉冲U0，9696有脉冲时9595电压为零，该脉冲通过D1对C773充电，使C773充的电压为U0，通过D3使C770，G771上的电压为U0的一半，电容上的电压极性为左负右正；9595有脉冲时9696电压为零，该脉冲经D2对C770充电，由于此时C773左极板的电位是-U0故充电的结果是C770上出现2U0，的电压，方向左正右负；9696脉冲到来9595电压为零，该脉冲又经D3对C771充电，由于C770右极板的电位是-2U0，故C771上会出现3U0的电压，并且方向是左负右正，所以下一时刻9696电位为零，C771左极板电位约为-3U0=-3×2.5V=-7.5 V，因而C772经D4到C771的负极会有一放电电流，使C772上出现上负下正的电量，即电路的输出端对地是一负电压，由于每一只电容充电放电是交替进行的，经几个周期后，各电容上的平均电压会稳定下来，最终C772上的电压介于0与最大值-3U0之间，约为-5 V左右，型然输出电压的高低不仅与脉冲的高度有关也与脉冲的宽度有关，还与-5 V输出电流的大小有关。

　　这种电路局部由低压直流供电，并产生自激振荡，在变压器的初级产生脉冲电流，若变压器设计成升压变压器，则次级就会输出更高的交流脉冲，该脉冲经倍压整流滤波后即可得到较高的直流电压。

　　如图6所示，是在小型电器中常用的DC-AC-DC直流变换电路。晶体管T与定时电容C，电阻R以及变压器Tr的初级带抽头的线构成振荡电路，使T处于开关状态。故L2上流过的是直流脉冲，该部分使用的电源约为3 V，振荡电路工作后，L2上会出现峰值为3 V左右，频率约30 kHz的脉冲电压，波形如图7所示。

　　由于变压器次级匝数较多，故它是升压变压器，其次级会输出较高的脉冲电压，当然其频率与初级一样，后续电路为倍压整流电路，当脉冲的正半周到来时，方向上正下负，电压会经D1对C1充电，使Cl上出现等于Tr次级峰值的电压，负半周到来时，电压方向相反，脉冲电压与C1上的电压之和经D2对C2充电，使C2上出现2倍的峰值电压，下一周期的正半周到来，次级电压与C1，C2上的电压合成后会经D3对C3充电，最终使C3上出现峰值的2倍压，经过n个周期后，除C1上为峰值的1倍压外其余均为2倍压，这样只要电路输出电流不太大，就能保证从不同的位置取出峰值的1倍压、2倍压、…、n倍压的直流。

　　综合上述3种形式的升压电路，它们都是建立在电容储能后两极维持一定数值的电压这一基础之上。当单只电容上的电压达不到要求数值时，利用2只或2只以上的电容按一定方式来进行组合，最终从电容器所在电路的某2 点取出所需电压。但无论采取何种形式的变换电路，最后得到的较高电压其能量均是取自低压直流电流，即在遵从能量守恒的前提下电压转换只是电能表现形式的改变。