目前市場上有6種不同類型的場效電晶體(FET),在兩類主要的FET中,增強型FET比耗盡型FET的應用要廣泛得多。但耗盡型FET,尤其是接面場效電晶體(JFET)在類比設計中仍佔一席之地。

如圖1所示,增強型MOSFET用作「常閉」壓控電子閥門。在沒有閘極偏置電壓時,沒有電流流動,當有電壓施加於MOSFET的閘極時,在P基板中形成誘發的通道,電流開始流動,如圖1的特徵曲線所示。

20180103TA01P1 圖1 增強型N通道MOSFET。

圖1所示的增強型MOSFET和圖2所示的耗盡型JFET之間的主要區別是,增強型MOSFET需要能量才能提供電源,而耗盡型元件要求用能量去「停止」供電。由於JFET具有「自我 實現(self-actualization)」的特性,對於電路初始啟動期間能量不足的應用,JFET特別適合。在這些應用中,由於輸入電壓過小,因而無法提供足夠的偏置電壓使增強型元件工作。

20180103TA01P2 圖2 耗盡型N通道JFET。

這種元件的一個例子是工作於極低電壓軌的電源電路,比如採用單節電池供電的電路。很多情況下,電源需要從極低的電壓軌產生較高的電壓,但不必提供很大的電流。這類電源可以用來產生「喚醒」電壓軌,以便在啟動時喚醒其他電路;當電壓軌的電壓不足以滿足電路要求、同時只需低到中等電流時,這類電源可提供更高的電壓。

如圖3所示,這樣的電源有兩個主要元素:一個是從很低電壓軌喚醒的方法,但不能啟動大多數增強型(常閉)元件;一個是能夠產生高於輸入電壓的電壓。

20180103TA01P3 圖3 JFET低輸入電壓反馳式電源。

第一個條件可以透過使用JFET來滿足。如前所述,當沒有施加控制電壓時,JFET將導通,允許電流在初始低電壓狀態下流動。在時間t=0時,電流開始在成對的JFET Q7和Q8之間流動,進而在反馳式(flyback)變壓器T1的次級繞組中感應到電壓。當在T1次級的反相端產生足夠的負電壓並達到Q7和Q8 JFET的「關斷」電壓時,這兩個JFET將關斷,這將導致初級電流緩慢地停止流動,次級電壓逐漸下降到JFET Q7和Q8的閘極電壓開始再次接近0V的點,在這個點它們將再次導通,整個振盪過程得以繼續,這個過程如圖4和圖5所示。

20180103TA01P4 圖4 輸出電壓測試點TP9。

U2會不斷監視電壓的上升。U2是一個比較器,用於監視輸出電壓,驅動Q9導通來關閉振盪,並將電壓拉到由LTC1440比較器晶片的內部基準電壓設定的規定參考值。參見圖4和圖5,它們來自實際的JFET評估板。圖4顯示的是次級線圈反相側的振盪和控制訊 號,圖5顯示的是初級線圈的同相側,在開關週期的啟動過程中,輸出電壓不斷爬升,而在開關週期的關閉過程中,振盪停止,電壓下降。

20180103TA01P5 圖5 輸出電壓測試點12。

控制方法

D7透過一對低前向壓降的蕭特基二極體(Schottky Diodes)對振盪器輸出進行整流,C6和/或C5為輸出提供保持電容。值得注意的是Q6的功能。MOSFET提供輸出上升期間與負載的隔離,只有當振盪達到足夠的且可持續的輸出時,才允許電流流向負載。

這種控制方法是一種簡單的「繼電器式」控制方法。振盪不斷增加,直到輸出分壓器上的電壓達到LTC1440比較器的內部電壓基準。當達到或超過閾值時,振盪被關閉,直到輸出電壓降低到控制基準以下。開-關振盪週期取決於輸入供電電壓值(可能低於1V)和輸出負載,為了演示,將一個50kΩ的電位器串聯一個3kΩ的電阻用作測試負載。所有示波器圖形都是在負載為3kΩ、輸入供電電壓為1V時捕獲;然而經過驗證,在輕負載時,電路將在不到0.5V和供電電壓軌處工作。

雖然前面所述的簡單JFET電源具有在極低輸入源條件下工作的優勢,但它卻存在靜態電流消耗相對較高的問題。在(這種電路特別有用的)電池供電應用中,這不是一個好的特性。在次級線圈低側增加一個額外的FET開關(該開關由控制比較器驅動的高阻抗觸發器觸發),可以消除在電源週期關閉階段的低阻抗路徑,極大地減少供電電路的靜態電流,如此就能在稍微增加複雜性的條件下取得更高的效率。

在性能方面,除靜態電流消耗外,這個低靜態電流轉換器非常類似於更簡單的轉換器。如圖6所示,當JFET振盪器運行時,輸出電壓上升,直到比較器控制電路關閉振盪器,同時電壓也一直下降到下個週期,就像前面介紹的簡單轉換器一樣。

20180103TA01P6 圖6 位於測試點TP7的Vout脈衝控制訊號。

(參考原文: Discrete JFETs still prominent in design: Low input voltage power supply ,by Jose Espina)