项目7 固定式倍压器直流稳压电源电路设计
一些需用高电压、小电流的地方，常常使用倍压整流电路。倍压整流可以把较低的交流电压，用耐压较高的整流二极管和电容器，“整”出一个较高的直流电压。倍压整流电路一般按输出电压是输入电压的多少倍，分为二倍压、三倍压与多倍压整流电路。本项目首先通过多谐振荡电路输出一个方波，再通过倍压整流电路将输出的电压进行二倍放大，从而达到系统要求。将NE555电路产生的振荡脉冲通过二极管整流电路整流后向电容充电，使电容充电至电源电压，将这样的整流充电电路逐级连接，就可以得到二倍、四倍甚至多倍于电源电压的升压电路。
设计任务
设计一个简单的直流稳压电源，将直流电压+12V经过二倍倍压器，输出稳定直流电压+24V。
基本要求
能够输出稳定的+24V直流电压。
使输出电源电压为输入的2倍。
系统组成
固定式倍压器直流稳压电源电路系统主要分为以下两部分。
多谐振荡电路：利用NE555定时器连接成一个多谐振荡器，振荡频率为2kHz。
倍压整流电路：将较低的电压通过电容的储能作用输出一个较高的电压。
系统模块框图如图7-1所示。
图7-1 系统模块框图
模块详解
1.多谐振荡电路
为了起到倍压效果，需要通过多谐振荡电路令输入的直流电压转换为交流输出。本项目使用的核心器件是NE555定时器。
由NE555定时器组成的多谐振荡电路如图7-2所示。其中R1、R2、C1为外接元件。根据NE555定时器的工作原理可知，电容C1充电时，定时器输出高电平；电容C1放电时，定时器输出低电平。电容不断地进行充放电，输出端便获得规律的矩形方波。振荡频率取决于R1、R2和C1。多谐振荡器无外部信号输入，便可输出交流电压。
图7-2 由NE555定时器组成的多谐振荡电路
在图7-2中，电阻R1、R2和电容C1构成定时电路。定时电容C1上的电压UC作为高触发端TH（6脚）和低触发端TR（2脚）的外触发电压。放电端DC（7脚）接在R1和R2之间。电压控制端CV（5脚）不外接控制电压而接入高频干扰旁路电容C2（0.01μF）。直接复位端R（4脚）接高电平，使NE555处于非复位状态。
多谐振荡器的放电时间常数如下。
正向脉冲宽度tPH为
负向脉冲宽度tPL为
而输出信号的振荡周期T可由式（7-3）得出，有
由式（7-3）可知，输出信号振荡周期T为0.5ms，即输出频率为2kHz。
多谐振荡电路输出端out1用示波器监视，输出波形如图7-3所示。
2.倍压整流电路
如图7-4所示，当NE555输出电压处于负半周期时，D2导通，D1截止，C3充电，C3电压最大值记为Vm；当NE555输出电压处于正半周期时，D1导通，D2截止，C4充电。由于电荷的储存作用，可以使C4电压变为NE555输出电压的2倍，从而达到要求。
图7-3 多谐振荡电路输出波形
图7-4 倍压整流电路原理图
注意
其实C2的电压无法在一个半周期内即充至2Vm，它必须在几个周期后才可逐渐趋近于2Vm。
倍压整流电路空载仿真图如图7-5所示。
图7-5 倍压整流电路空载仿真图
倍压整流电路输出OUTPUT用示波器监视，输出波形如图7-6所示。
图7-6 倍压整流电路空载输出波形
由图7-5可以看出，倍压整流电路可在12V供电条件下输出+23.5V直流电压。若在电路输出端OUTPUT处接入200kΩ负载进行测试，则仿真结果如图7-7所示。
图7-7 固定式倍压器加负载输出测试（一）
输出端OUTPUT输出波形如图7-8所示。
图7-8 固定式倍压器加负载输出波形（一）
在电源输出端添加200kΩ负载后，电源输出为+23.0V，与空载输出+23.5V电压十分相近，满足设计指标要求。
若在电路输出端OUTPUT处接入1000kΩ负载进行测试，则仿真结果如图7-9所示。
图7-9 固定式倍压器加负载输出测试（二）
输出波形如图7-10所示。
图7-10 固定式倍压器加负载输出波形（二）
对电源输出端添加1000kΩ负载后，电源输出为+23.1V，与之前的空载与加200kΩ负载进行测试时的结果几乎相等，故本项目中固定式倍压器直流电源为稳压电源。
综上所述，本项目中的固定式倍压器直流稳压电源电路可将直流电压+12V经过多谐振荡电路输出，再通过倍压整流电路，将电压通过电容的储能作用输出至设计要求的+24V电压。由调节负载测试可知，本项目中的固定式倍压器直流稳压电源电路的输出不随负载的变化而变化，满足稳压电源的设计要求。
固定式倍压器直流稳压电源电路整体电路原理图如图7-11所示。
经过对电路板进行实测，输入+12V直流稳压源，得到的输出为+23.40V。设计要求输入+12V电压经2倍倍压器输出+24V，实测基本符合设计要求。
图7-11 固定式倍压器直流稳压电源电路整体电路原理图
PCB版图
PCB版图如图7-12所示。
图7-12 PCB版图
实物测试
固定式倍压器直流稳压电源电路实物图如图7-13所示，固定式倍压器直流稳压电源电路测试图如图7-14所示。
图7-13 固定式倍压器直流稳压电源电路实物图
图7-14 固定式倍压器直流稳压电源电路测试图
思考与练习
（1）NE555定时器在电源电路中的典型应用有哪些?
答：单电源变双电源、直流倍压电源、负电压产生电源、逆变电源等。
（2）倍压电源电路中对二极管有什么要求?
答：正半周时，二极管D1所承受的最大逆向电压为2Vm；负半周时，二极管D2所承受的最大逆向电压也为2Vm，所以电路中应选择PIV（反向峰值电压）>2Vm的二极管。
（3）倍压器中进行电容选取时可以得到什么结论?
答：倍压电路中电容的取值可以不同，可以通过减小某些对输出影响不大的电容来达到节约成本、减小电路体积的目的，要使其能通过参数组合达到良好的倍压效果。
特别提醒
故障分析：当D1和D2中有一个开路时，都不能得到2倍的直流电压；当D2短路时，这一整流电路没有直流电压输出；当C3开路时整流电路没有直流电压输出，当C3漏电时整流电路的直流输出将下降，当C3击穿时这一整流电路只相当于半波整流电路，没有倍压整流功能。