采用雙極型晶體管的直流250mV轉(zhuǎn)換器

該轉(zhuǎn)換器描述如下：它基于一個(gè)硅雙極型晶體管(BJT)，可在低于250mV電壓下工作，這對(duì)一個(gè)不是基于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管或鍺晶體管的轉(zhuǎn)換器來說幾乎是創(chuàng)記錄的。如何實(shí)現(xiàn)這種可能性呢? VBE的閾值并不是確定的，它決于電流密度和其他因素。 但250 mV遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于能接受的最小值。這就需要用到一點(diǎn)竅門，實(shí)際上這里面也有幾分訣竅。

最大的困難在于啟動(dòng)。一旦啟動(dòng)，即使電壓下降到遠(yuǎn)低于傳輸極限，轉(zhuǎn)換器可以輕松地提供足夠的電壓。訣竅在于使用第三根線連接電源輸入來觸發(fā)振蕩器，當(dāng)開關(guān)還處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，第三根線經(jīng)由R3給C2充電(圖1)。

該電路通過R4，給C2充電到電源電壓。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，C2負(fù)極為V+，也就是說它有相當(dāng)于兩倍電源的電壓，即500mV。這一電壓經(jīng)由變壓器T1給Q1提供偏置。500mV雖然比較小，但足夠產(chǎn)生一小電流流進(jìn)晶體管Q1，使振蕩器開始工作，直到最后進(jìn)入截止區(qū)。

此電路的第二個(gè)特點(diǎn)，是使用電流變壓器而不是通常的在主線圈外增加一個(gè)輔助饒組 來獲得電壓反饋。這樣可以通過減少電壓變動(dòng)的影響并在負(fù)載增大時(shí)增加反饋量來確保足夠穩(wěn)定的振蕩。

這種電流變壓器繞制在一個(gè)小的可飽和鐵氧體磁環(huán)或磁珠上，初級(jí)饒兩圈，次級(jí)饒50個(gè)線圈。線圈的數(shù)量并不是關(guān)鍵的，可以根據(jù)所用的器件進(jìn)行調(diào)整以取得最好的效果。

在這個(gè)例子中， Q1工作在β=25，輸出經(jīng)由一個(gè)肖特基二極管D2，在主電感L2上取得。該電路顯示在給一個(gè)白光LED供電，但其它的電壓和應(yīng)用也可以通過更換一個(gè)合適的齊納二極管來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電壓大于5V時(shí)，最好在L2上使用一個(gè)升壓線圈，這是因?yàn)楫?dāng)升壓比超過30時(shí)，L2必須保證良好性能。

C3和D3是可選的，方便提高效率。C4和L2諧振，D3則利用存儲(chǔ)在T1中的部分能量，可以提高越5%的效率。然而，這些器件會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)更加困難。

輸入電流為269mA時(shí)， 原型樣機(jī)可以在輸出電壓為3.02V時(shí)，提供8.85mA的電流。振蕩頻率為8.3kHz。根據(jù)元器件和調(diào)整的程度，效率在30%到50%之間。一旦開始工作，轉(zhuǎn)換器可以持續(xù)工作在低至110mV電壓的電壓下，盡管如此，在低于150mV的情況下，將不能得到任何有用的能量。

如果需要更多能量，一個(gè)明顯的解決方案就是使用輸出電壓去驅(qū)動(dòng)一個(gè)開關(guān)模式的電源控制芯片。一個(gè)比較簡(jiǎn)單的方法即使直接使用轉(zhuǎn)換器的波形去驅(qū)動(dòng)一個(gè)低導(dǎo)通阻抗的MOSFET Q2。箝位網(wǎng)絡(luò)R1，R2，C1，和D1對(duì)基極驅(qū)動(dòng)波形進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換以保證Q2基極有適當(dāng)?shù)碾娖健?使用合適元件，可以成10倍地增加輸出能量。

為了最大限度地提高效率，必須減少線圈和元器件的損耗。包括線圈的阻抗，開關(guān)的接觸阻抗，電容的等效串聯(lián)阻抗和Q1的飽和電壓。每毫歐姆都可以影響到最終結(jié)果。

2SC1983(Q1)是一個(gè)早期型號(hào)的超β放大系數(shù)晶體管，更新的型號(hào)，如Zetex的產(chǎn)品，會(huì)有更好的表現(xiàn)。通過在多種Zetex樣品上的測(cè)試證實(shí)了這點(diǎn)(ZTX1047， ZTX869和NPN加肖基特組合產(chǎn)品ZX3CDBS1M832；見www.zetex.com上的更多信息)。輸出功率由原來的26.7mW提高到102mW，效率由原來的39.7%提高到了52%。這意味著許多應(yīng)用就不需要額外的轉(zhuǎn)換器.

該電路使能量采集得到很大范圍的應(yīng)用，使得使用像單一的太陽(yáng)能電池、熱電發(fā)電機(jī)、電滲透電池、燃料電池和低轉(zhuǎn)換效率的化學(xué)電池等變得可行。你甚至可以把一對(duì)不同金屬制成的金屬棒插在土壤中來獲取有用的能量。該電路沒有提供調(diào)節(jié)功能，因?yàn)榘讯嘤嗟哪芰慷逊e在諸如齊納二極管等地方對(duì)能量收集來說是一種浪費(fèi)。

從圖示2的電路變換形式可發(fā)現(xiàn)一些問題：該電路并不是真正在250mV下開始工作，并且“第三線”有幾分”欺騙”成分。該變形電路是一個(gè)雙線電路。L1和C2組成共振電路，獲得能量后，在L1和C2的節(jié)點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生阻尼振蕩。經(jīng)過半個(gè)周期后，電壓翻轉(zhuǎn)到正極， 給T1提供500mv的電壓。

該電路更多的是一種可行性的描述，而不是一種實(shí)用的陳述。正常工作時(shí)，L1和C2必須是低損耗型的， C2是塑料介質(zhì)的，L1是鐵氧體磁芯的，它們?nèi)≈当M可能大。即便如此，它的表現(xiàn)仍然不及觸發(fā)版本：相對(duì)于三線電路的235mv啟動(dòng)電壓，該電路需要255mV才能可靠啟動(dòng)。