低壓直流供電電路中高壓直流的產(chǎn)生
在低壓直流供電線路特別是電子電路中，電路的絕大部分使用由電源提供的低壓，但在線路的某一個部分或某幾個部位，需要供高于電源的直流電壓，若將整個線路的供電電壓提高，既要重新更換或設(shè)計電源，又會給整個電路的部件提出更高耐壓的要求：若不提高電源電壓，需要高電壓的電路部分又不能正常工作，本文就基于整個供電電路的低壓電源，在某些部分產(chǎn)生較高的直流電壓常采用的方法，通過一些具體實例做闡述總結(jié)。
以低壓直流作基礎(chǔ)產(chǎn)生較高的直流電壓，常見的方式有3種類型：利用電容充電后再墊高負(fù)極電位，即自舉升壓；利用電感產(chǎn)生的自感電動勢對電容強制充電；利用振蕩電路將直流變?yōu)榻涣骰蛑绷髅}沖，再通過倍壓整流產(chǎn)生高壓。
1 利用電容充電后再墊高負(fù)極電位
電容被電源E充電后，其正、負(fù)極之間將維持一定的電壓Uc=U+-U-=E，若負(fù)極電位為零，即U-=0，則正極電位與電容上充的電壓相等，U+=Uc；若充電完畢后，將負(fù)極接到某一電位U0上，盡管此時電容上的電壓不變，但其正極電位就等于電容上的電壓與負(fù)極所接電位之和，即U+=Uc+U0，從而可以實現(xiàn)U+>E，即得到高于電源的電壓，有時將這種升壓方式叫自舉升壓。
(1)黑白電視機行掃描電路中的倍壓電路
在黑白電視機中，整機內(nèi)部采用12 V直流供電，但為了改善行掃描的線性，需要提高行輸出級上的行偏轉(zhuǎn)使用的電壓，一般是將電源12 V提高到24 V左右加到偏轉(zhuǎn)線圈上，采用的方法如圖1所示：該圖是黑白電視機的行輸出級電路，整體看該級使用的電源為12 V，但工作時經(jīng)過電容C0、二極管D0、電感L0組成的升壓電路轉(zhuǎn)換，行輸出管集電極c實際得到的直流電壓為24 V左右，即行偏轉(zhuǎn)線圈實際使用的電源為24 V左右，達到了改善行線性的目的。
(2)OTL功放電路中的自舉升壓
電子線路上常用的OTL互補對稱功率放大電路，如圖2所示。
T1，T2為2只互補型的功放管，靜態(tài)時A點電壓，因而C0上有Ec／2的電壓。信號注入后，T1，T2交替放大信號的前、后半周，為了確保T1在放大信號時導(dǎo)通角達到180°(小于180°會引起交越失真)，應(yīng)當(dāng)確保T1在半個周期內(nèi)基極與發(fā)射極之間的偏壓幾乎恒定，不能小于發(fā)射結(jié)的導(dǎo)通電壓，否則T1管會提前截止，從圖2中可以看出T1導(dǎo)通時，電源Ec經(jīng)T1會對C0充電，盡管C0的容量較大，但隨著充電的進行，C0上的電壓，即A點對地電壓勢必也會上升，若T1基極電壓不隨A點電位上升，T1的發(fā)射結(jié)偏壓會下降，就會使T1提前截止。為此在A，B兩點接一容量較大的電容C1，由于C1上已充上了Ec／2的電壓，且其容量較大，故當(dāng)A點電位上升時，相當(dāng)于C1負(fù)極電位被墊高，正極電位也自然升高，則B點電位會上升到高于Ec的程度。B點電位升高經(jīng)R1帶動T1基極電位的升高，這樣就保證T1發(fā)射結(jié)偏壓不會由于A點電位的升高而下降，故C1稱自舉升壓電容，R1是隔離電阻，可以確保A點電壓瞬間升高時B點電壓可以高于電源電壓Ec。
(3)手機讀卡電路
在手機讀卡電路上要用到5 V的電壓，而手機所用電池早期為4.8 V，現(xiàn)在的手機均為3.6 V，因電池電壓往往隨所剩電量的多少有所變化，為確保手機工作穩(wěn)定，不因電池電壓的變化而影響通話質(zhì)量，電池電壓并未直接供給手機各部分使用，而是通過穩(wěn)壓IC變?yōu)?.2 V，2.8 V，3 V等更低的電壓供各部分使用。在這種情況下就需要通過升壓電路將3 V左右的電壓升為5 V。如圖3(a)所示，是用在愛立信788手機上的升壓電路。
N750為一電子開關(guān)電路，型號為C70851，電壓從2腳輸入后，內(nèi)部電子電路開始工作，可以實現(xiàn)將第1，8腳接的電容C750與第4，5腳接的電容C751定時相并聯(lián)、相串聯(lián)，也就是使兩電容交替性地相并聯(lián)、相串聯(lián)。+3 V的電源經(jīng)R607，C606，R751，C757組成的RC濾波網(wǎng)絡(luò)后，電壓約為2.5 V送入N750的2腳，首先C752，C751處于并聯(lián)狀態(tài)，2.5 V的電源對其充電，使兩電容上均出現(xiàn)2.5 V的電壓，然后經(jīng)內(nèi)部電子開關(guān)轉(zhuǎn)換使C751與C752處于串聯(lián)狀態(tài)，并且其中一支的負(fù)極與另一支的正極相連，如圖3(b)，(c)所示，這樣兩電容上的總電壓成為5 V，經(jīng)電容濾波后從第3腳輸出，供SIM卡電路使用。
2 利用電感的自感電動勢強制對電容充電升壓
電感產(chǎn)生的自感電動勢的大小ε=L×di／dt，即電感量大小一定后，自感電動勢的大小只與電感中電流的變化速度有關(guān)，而與電感上原來施加的電壓無關(guān)。若電感中注入電流脈沖，當(dāng)頻率高到一定程度時，無論電感上施加的電壓如何，上面就會產(chǎn)生遠高于施加電壓的自感電動勢，然后再對這一感應(yīng)電動勢產(chǎn)生的電流進行整流，并對電容充電就會輸出一較高的直流電壓。
(1)黑白電視機行掃描電路中的高壓電路
在上述圖1所示的行輸出級電路中，產(chǎn)生的24 V倍壓直流不僅用于改善行線性，其實在電視機中該級還承擔(dān)著產(chǎn)生10 000 V直流高壓的任務(wù)。該電壓由行輸出變壓器次級輸出，加到顯像管上形成光柵，其產(chǎn)生過程為：由于行管的集電極有24 V的倍壓，該電壓同樣也出現(xiàn)在與行管T的c，e極相連的電容Cs上，工作時行輸出管處于開關(guān)工作狀態(tài)，當(dāng)T導(dǎo)通時，Cs放電，電流經(jīng)Ly，T的c，e極流過；當(dāng)T截止后，由于Ly中的電流急劇變小，內(nèi)部產(chǎn)生的較大的自感電動勢，促使電流還要繼續(xù)流動以釋放電感上的磁能。由于此時T已截止，故剛剛通過T流動的電流，會對逆程電容C1做強制性的充電，最終Ly上的磁能會轉(zhuǎn)化為C1上的電場能，根據(jù)可知，能量一定后，適當(dāng)選取C1的容量小一點，就可以使電容上的電壓u=Q／C變得較高，即在電容上會出現(xiàn)較高的脈沖電壓。該電壓以行頻率出現(xiàn)，幅值可達200 Vpp左右，由于C1與行輸出變壓器Tr的初級相并聯(lián)，故該脈沖又相當(dāng)于直接加到了Tr的初級，再經(jīng)Tr次級升壓可得一萬多伏的脈沖，通過高壓整流二極管整流，即可得到一萬多伏的直流電壓。
(2)摩托羅拉手機讀卡電源電路
如圖4所示，是摩托羅拉V998電源模塊U900的升壓電路。由于該機供電電池電壓為3.6 V，故內(nèi)部使用的+B約3.6 V，但手機有些電路需用+5 V的電壓，為此在電源模塊的C5，B6端，要通過B10端得到5.6 V直流電壓。方法是：+B經(jīng)L901接到U900的B10端，B10端內(nèi)部等效于與地斷續(xù)相連的電子開關(guān)，當(dāng)B10端與地相連時，電源電流流經(jīng)L901入地。顯然，電感L901上施加的電壓為+B，當(dāng)電流達到一定數(shù)值時，B10內(nèi)的電子開關(guān)突然與地斷開，L901上的電流會突然變小而產(chǎn)生較強的自感電動勢ε，該電動勢的方向為左負(fù)右正，該電動勢經(jīng)整流管CR901對電容C934充電，使C934上瞬時出現(xiàn)峰值接近于自感電動勢的電壓，B10內(nèi)下次與地接通后，電源電流又經(jīng)L901流向B10內(nèi)部，C934上剛才充的電壓由于CP901的存在而將C934與B10引腳隔離開，使C934上維持約5.6 V的直流電壓，并通過C5、B6端向U900供電。
3 倍壓整流升壓電路
倍壓整流是對直流脈沖或交流而言的，在直流電路中要通過倍壓整流電路將較低的電壓轉(zhuǎn)換為較高的電壓，就需將低壓直流首先通過振蕩電路轉(zhuǎn)換出直流脈沖或交流，然后通過二極管及電容組成倍壓整流得到較高直流電壓。
(1)LCD液晶顯示偏壓電路
如圖5所示，是愛立信788中文手機顯示屏顯示偏壓生成電路，該屏正常工作時需要-5 V的顯示偏壓VLCD，而整機電路使用的是3 V左右的電壓，-5 V的顯示偏壓VLCD產(chǎn)生過程是利用CPU D60095959696腳輸出2.5 V左右的脈沖經(jīng)倍壓整流最后得到5 V左右的直流。95959696交替輸出幅值約2.5 V的矩形脈沖U0，9696有脈沖時9595電壓為零，該脈沖通過D1對C773充電，使C773充的電壓為U0，通過D3使C770，G771上的電壓為U0的一半，電容上的電壓極性為左負(fù)右正；9595有脈沖時9696電壓為零，該脈沖經(jīng)D2對C770充電，由于此時C773左極板的電位是-U0故充電的結(jié)果是C770上出現(xiàn)2U0，的電壓，方向左正右負(fù)；9696脈沖到來9595電壓為零，該脈沖又經(jīng)D3對C771充電，由于C770右極板的電位是-2U0，故C771上會出現(xiàn)3U0的電壓，并且方向是左負(fù)右正，所以下一時刻9696電位為零，C771左極板電位約為-3U0=-3×2.5V=-7.5 V，因而C772經(jīng)D4到C771的負(fù)極會有一放電電流，使C772上出現(xiàn)上負(fù)下正的電量，即電路的輸出端對地是一負(fù)電壓，由于每一只電容充電放電是交替進行的，經(jīng)幾個周期后，各電容上的平均電壓會穩(wěn)定下來，最終C772上的電壓介于0與最大值-3U0之間，約為-5 V左右，型然輸出電壓的高低不僅與脈沖的高度有關(guān)也與脈沖的寬度有關(guān)，還與-5 V輸出電流的大小有關(guān)。
(2)DC-AC-DC逆變升壓電路
這種電路局部由低壓直流供電，并產(chǎn)生自激振蕩，在變壓器的初級產(chǎn)生脈沖電流，若變壓器設(shè)計成升壓變壓器，則次級就會輸出更高的交流脈沖，該脈沖經(jīng)倍壓整流濾波后即可得到較高的直流電壓。
如圖6所示，是在小型電器中常用的DC-AC-DC直流變換電路。晶體管T與定時電容C，電阻R以及變壓器Tr的初級帶抽頭的線圈L1，L2構(gòu)成振蕩電路，使T處于開關(guān)狀態(tài)。故L2上流過的是直流脈沖，該部分使用的電源約為3 V，振蕩電路工作后，L2上會出現(xiàn)峰值為3 V左右，頻率約30 kHz的脈沖電壓，波形如圖7所示。
由于變壓器次級匝數(shù)較多，故它是升壓變壓器，其次級會輸出較高的脈沖電壓，當(dāng)然其頻率與初級一樣，后續(xù)電路為倍壓整流電路，當(dāng)脈沖的正半周到來時，方向上正下負(fù)，電壓會經(jīng)D1對C1充電，使Cl上出現(xiàn)等于Tr次級峰值的電壓，負(fù)半周到來時，電壓方向相反，脈沖電壓與C1上的電壓之和經(jīng)D2對C2充電，使C2上出現(xiàn)2倍的峰值電壓，下一周期的正半周到來，次級電壓與C1，C2上的電壓合成后會經(jīng)D3對C3充電，最終使C3上出現(xiàn)峰值的2倍壓，經(jīng)過n個周期后，除C1上為峰值的1倍壓外其余均為2倍壓，這樣只要電路輸出電流不太大，就可以確保從不同的位置取出峰值的1倍壓、2倍壓、…、n倍壓的直流。
綜合上述3種形式的升壓電路，它們都是建立在電容儲能后兩極維持一定數(shù)值的電壓這一基礎(chǔ)之上。當(dāng)單只電容上的電壓達不到要求數(shù)值時，利用2只或2只以上的電容按一定方式進行組合，最終從電容器所在電路的某2 點取出所需電壓。但無論采取何種形式的變換電路，最后得到的較高電壓其能量均是取自低壓直流電流，即在遵從能量守恒的前提下電壓轉(zhuǎn)換只是電能表現(xiàn)形式的改變。
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