采用雙極型晶體管的直流250mV轉(zhuǎn)換器
[導(dǎo)讀]該轉(zhuǎn)換器描述如下：它基于一個硅雙極型晶體管(BJT)，可在低于250mV電壓下工作，這對一個不是基于結(jié)型場效應(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
該轉(zhuǎn)換器描述如下：它基于一個硅雙極型晶體管(BJT)，可在低于250mV電壓下工作，這對一個不是基于結(jié)型場效應(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。一旦啟動，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，第三根線經(jīng)由R3給C2充電(圖1)。
此電路的第二個特點(diǎn)，是使用電流變壓器而不是通常的在主線圈外增加一個輔助饒組 來獲得電壓反饋。這樣可以通過減少電壓變動的影響并在負(fù)載增大時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小的可飽和鐵氧體磁環(huán)或磁珠上，初級饒兩圈，次級饒50個線圈。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。
在這個例子中， Q1工作在β=25，輸出經(jīng)由一個肖特基二極管D2，在主電感L2上取得。該電路顯示在給一個白光LED供電，但其它的電壓和應(yīng)用也可以通過更換一個合適的齊納二極管來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電壓大于5V時，最好在L2上使用一個升壓線圈，這是因?yàn)楫?dāng)升壓比超過30時，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則利用存儲在T1中的部分能量，可以提高越5%的效率。然而，這些器件會導(dǎo)致啟動更加困難。
輸入電流為269mA時， 原型樣機(jī)可以在輸出電壓為3.02V時，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，一個明顯的解決方案就是使用輸出電壓去驅(qū)動一個開關(guān)模式的電源控制芯片。一個比較簡單的方法即使直接使用轉(zhuǎn)換器的波形去驅(qū)動一個低導(dǎo)通阻抗的MOSFET Q2。箝位網(wǎng)絡(luò)R1，R2，C1，和D1對基極驅(qū)動波形進(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)是一個早期型號的超β放大系數(shù)晶體管，更新的型號，如Zetex的產(chǎn)品，會有更好的表現(xiàn)。通過在多種Zetex樣品上的測試證實(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)處會產(chǎn)生阻尼振蕩。經(jīng)過半個周期后，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，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：相對于三線電路的235mv啟動電壓，該電路需要255mV才能可靠啟動。
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