在300mV供電電壓下工作的JFET DC/DC轉換器
使用JFET的自偏置特性可以建立一個 DC/DC 轉換器,它能用太陽能電池、熱電偶和單級燃料電池等電源工作,這些電源電壓都低于600 mV,有的甚至低至300 mV。圖1示出的是一個N溝道JFET在零偏置條件下的柵源特性,產生方法是連接其柵極和源極。施加100 mV電壓可以使10 mA電流流經器件,350 mV時電流增加到30 mA。通過利用JFET在零偏置時導通大電流的能力,能夠設計出一種自起動、低輸入電壓的轉換器。
該電路可以在大至2mA電流時提供5V電壓,這足以為很多微功耗的應用提供電能,或者為更大功率的開關模式穩(wěn)壓器提供輔助偏壓。在300 mV 輸入時,電路在負載電流為 300mA下起動。2 mA的負載電流需要475 mV輸入電壓。
在圖2中Q1是一對并聯的飛利浦半導體公司BF862 JFET,與Coiltronics (www.coiltronics.com)的Versa-Pac變壓器T1構成一個振蕩器,其中T1的次級繞組提供到Q1柵級的反饋。當首次加電時,Q1的柵級保持在0V,漏極電流流經 T1的初級繞組。T1的反相位次級繞組為Q1柵極提供一個負電壓作為響應,該電壓使Q1關斷,中止流經T1初級繞組的電流。于是,T1的次級電壓聚降,開始不斷的振蕩。雖然BF862的公開規(guī)格中并沒有表明該器件的內部幾何尺寸,但該器件有低的導通電阻,并可維持低的柵極導通閾值電壓。Q1使用了一對并聯的JFET,可以保證在低的電源電壓下有低的飽和電壓。
對Q1漏極的正向回掃電壓作整流和濾波后,在電容器C1上產生一個直流電壓。為輔助電路的起動,用一支P溝道MOSFET Q2將輸出負載與整流器隔離,Q2要求導通的柵源電壓約為2V。當Q2導通時,輸出電壓增加到5V。比較器IC1是Linear技術公司(www.linear.com)的 LTC-1440,它從Q2源極獲取能量,通過將其內部電壓基準與輸出電壓采樣作比較,完成輸出電壓的穩(wěn)壓。IC1的輸出通過Q3改變Q1的導通時間,關閉控制回路,維持輸出穩(wěn)壓。圖3顯示的是電源輸出端的紋波電壓。當輸出電壓降低時,比較器IC1轉換(中間B跡線),使Q1振蕩。Q1漏極產生回掃(下方C跡線)恢復輸出電壓。
Q3是作為Q1柵極電壓的一個簡單而有效的分流控制,它從電源消耗25 mA靜態(tài)漏極電流。經過改進,靜態(tài)漏極電流可以降低到1 mA(圖4)。在T1次級繞組串聯插入一個開關Q4可以更有效地控制Q1的柵極。T1次級繞組自舉的電壓可為Q4產生負關斷偏壓。圖5顯示如何連接T1繞組。當Q4關斷時,切斷了T1次級繞組中的電流,使T1的第5腳為正。沒有二極管D4和D5時,峰值電壓接近15V,并反向偏置D4,這不是我們期望的情況。正常工作情況下,管腳5有近0.8V的偏移,因而須用兩支串聯的二極管將電壓箝位在安全電平內。齊納二極管D3保持偏壓負荷,在初始電源應用時起輔助起動作用。
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