DC/DC преобразователь на основе полевого транзистора с p-n переходом работает при напряжении 300 мВ

Свойство автосмещения полевых транзисторов с p-n переходом можно использовать для создания DC/DC преобразователей, работающих от солнечных батарей, термопар и однокаскадных топливных элементов, напряжение на каждом из которых не достигает и 600 мВ, а иногда составляет всего 300 мВ. На Рисунке 1 показаны сток-истоковые характеристики n-канального полевого транзистора при нулевом смещении, которые вы можете снять, соединив его затвор с истоком. Если между стоком и истоком приложить напряжение 100 мВ, через прибор потечет ток 10 мА, который вырастет до 30 мА при увеличении напряжения до 300 мВ. Используя способность полевого транзистора с p-n переходом проводить значительный ток при нулевом смещении, можно сделать самозапускающийся преобразователь, работающий при низких входных напряжениях.

Рисунок 1.	При 100 мВ между стоком и истоком (горизонтальная ось) ток стока достигает 10 мА (вертикальная ось), а при 300 мВ увеличивается до 30 мА.

При выходном напряжении 5 В схема может отдавать ток до 2 мА – вполне достаточный для питания многих микромощных приложений или для использования в качестве источника дополнительного смещения в более мощных импульсных регуляторах. При напряжении на входе, равном 300 мВ, схема запускается при токах нагрузки 300 мкА. Для тока нагрузки 2 мА потребуется входное напряжение 475 мВ.

Рисунок 2.	Пара соединенных параллельно полевых транзисторов с p-n переходом позволяет этому DC/DC преобразователю работать при напряжении источника питания всего 300 мВ.

На Рисунке 2 пара включенных параллельно транзисторов BF862 (Q1) и трансформатор T1 образуют генератор, в котором вторичная обмотка T1 обеспечивает обратную связь на затвор Q1. При первом включении питания напряжение затвора Q1 остается равным нулю, и ток стока течет через первичную обмотку T1. При появлении отрицательного напряжения на затворе Q1 транзистор закрывается, прерывая ток первичной обмотки T1. В свою очередь, исчезает напряжение на инвертирующей фазу вторичной обмотке T1, и начинаются устойчивые колебания. Хотя в справочных данных на BF862 внутренняя геометрия устройства не раскрывается, транзистор имеет низкое сопротивление открытого канала и невысокое пороговое напряжение затвора. Использование параллельного включения двух полевых транзисторов Q1 обеспечивает малое напряжение насыщения, необходимое для работы при низких напряжениях источника питания.

Рисунок 3.	Выходное постоянное напряжение (канал A), выход компаратора IC1 (канал B) и напряжение на стоке Q1 (канал C) при скорости горизонтальной развертки 5 мс/дел.

Напряжение импульсов обратного хода на стоке транзистора Q1 выпрямляется и фильтруется элементами D1 и C1. Для создания условий запуска в схему добавлен p-канальный MOSFET Q2 с напряжением открывания затвор-исток порядка 2 В, который в исходном состоянии изолирует выходную нагрузку от выпрямителя. При открытом транзисторе Q2 выходное напряжение увеличивается до 5 В. Компаратор IC1 (LTC1440), получающий питание от истока транзистора Q2, стабилизирует выходное напряжение, сравнивая напряжение внутреннего опорного источника с выборкой выходного напряжения. Выход компаратора через транзистор Q3 управляет временем включения Q1, замыкая, таким образом, петлю регулирования выходного напряжения. На Рисунке 3 показаны пульсации напряжения на выходе источника питания (канал A, верхняя осциллограмма). Когда выходное напряжение спадает, включается компаратор IC1 (канал B, средняя осциллограмма) и разрешает работу генератора на транзисторе Q1. В результате импульсы обратного хода, возникающие на стоке Q1 (канал C, нижняя осциллограмма), восстанавливают выходное напряжение.

Рисунок 4.	Добавление транзисторов Q3 и Q4, а также самонастраивающегося генератора отрицательного смещения на элементах D2, D3 и C4 уменьшает потребляемый схемой ток с 25 мА до 1 мА.

Шунтовой регулятор на транзисторе Q3, необходимый для управления напряжением затвора Q1, очень прост и эффективен, однако потребляет от источника питания ток 25 мА. Модифицировав схему, ток потребления можно снизить до 1 мА (Рисунок 4). Добавление ключа Q4 последовательно с вторичной обмоткой трансформатора T1 улучшает эффективность управления затвором Q1. Автонастройка напряжения на вторичной обмотке T1 создает отрицательное закрывающее смещение для транзистора Q4. На Рисунке 5 показано, как должны быть подключены обмотки трансформатора T1. Выключаясь, транзистор Q4 прерывает ток вторичной обмотки T1, и напряжение на выводе 5 трансформатора становится положительным. При отсутствии диодов D4 и D5 пиковое напряжение могло бы достигать 15 В, в результате чего происходило бы нежелательное смещение Q4 в обратном направлении. В нормальном режиме работы напряжение на выводе 5 отклоняется приблизительно на 0.8 В, что требует использования двух последовательных диодов для ограничения напряжения на безопасном уровне. Стабилитрон D2 снижает нагрузку на источник напряжения смещения, облегчая запуск схемы при первом включении питания.

Рисунок 5.	Трансформатор VP1-1400 фирмы Coiltronics, состоящий из шести независимых обмоток, которые можно включить более чем в 500 конфигурациях, в этом приложении одновременно выполняет функции элемента обратной связи и обратноходового трансформатора. Показана схема соединения обмоток.