CN110825148B - 恒流控制电源电路及场致发射电子源 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种电源电路及场致发射电子源，该电源电路包括：经由漏极和源极依次串联连接的场效应晶体管S_i，1≤i≤n，i、n为自然数，n≥2，其中S₁的源极与电压源的负极连接，S_n的漏极作为电源电路的输出端，用于连接负载；串联连接的第一组二极管D_1i，1≤i≤n，i、n为自然数，n≥2，并联连接的第一组电阻R_1j，2≤j≤n，i、j为自然数；以及电压控制模块，调整所述电压源的输出电压，以使通过负载的电流恒定。其中场效应晶体管S_i，1≤i≤n工作在可变电阻区。

Description

恒流控制电源电路及场致发射电子源

技术领域

本公开涉及电子源发射技术领域，更具体地，涉及一种电源电路及应用该电源电路的场致发射电子源。

背景技术

电源电路的性能对电子设备的性能至关重要。例如，在场致发射电子源产品中，当施加到场致发射电子源回路的电流发生变化时，将导致场致发射电子源性能下降。

在固体中含有大量的电子，这些电子由于受到原子核的吸引而被束缚在固体内部，在常态下这些电子所具有的能量都不足以逸出物体表面，只有在一定的外界能量作用下或通过消除电子束缚的方法，才能使电子从固体内部通过表面向真空逸出。我们称能在真空中定向产生大量电子的***为电子源。一种方法是依靠外部电场压抑材料的表面势垒，使势垒降低、变窄，当势垒的宽度窄到可与电子波长相比拟时，电子的隧道效应开始起作用，自由电子就可以顺利穿透表面势垒进入真空中。这种利用外界强电场，把电子拉出固体表面的现象就是场致发射现象，这种类型的电子源称为场发射电子源。研究表明，当外电场场强达到10的6次方时，已经有很明显的电子发射现象了。场致电子发射不存在时间延迟性，响应速度达到微秒级，即场致发射电子源可以实现瞬时性启动和关闭。

因此，要求应用于对场致发射电子源的电路能够保持稳定的电流并且能够瞬时响应。

发明内容

为了至少部分地解决上述技术问题，本公开提出了一种电源电路及应用该电源电路的场致发射电子源。

根据本公开的一个方面，提出了一种电源电路，包括：经由漏极和源极依次串联连接的场效应晶体管S_i，1≤i≤n，i、n为自然数，n≥2，其中S₁的源极与电压源的负极连接，S_n的漏极作为电源电路的输出端，用于连接负载；串联连接的第一组二极管D_1i，1≤i≤n，i、n为自然数，n≥2，其中D₁₁并联连接在S₂的栅极与所述电压源的负极之间，D_1n并联连接在S_n的栅极与S_n的漏极之间，当n>2时，其余的D_1i并联连接在S_i的栅极与S_i+1的栅极之间，第一组电阻R_1j，2≤j≤n，其中R_1j并联连接S_i的栅极和源极，其中j与i的取值相对应；i、j为自然数；以及电压控制模块，调整所述电压源的输出电压，以使通过负载的电流恒定；其中，所述场效应晶体管S_i，1≤i≤n工作在可变电阻区。

在一些实施例中，场效应晶体管S_i，2≤i≤n为N沟道增强型场效应管。

在一些实施例中，所述电压控制模块包括：检测单元，与连接到所述电源电路的输出端的负载串联连接，以检测通过负载的电流；以及控制信号生成单元，根据通过负载的电流生成控制信号，并将所述控制信号施加到所述电压源。

在一些实施例中，所述控制信号生成单元被配置为：将通过负载的电流与电流设定值进行比较；当通过负载的电流小于所述电流设定值时，增加所述电压源的输出电压；当通过负载的电流大于所述电流设定值时，减小所述电压源的输出电压。

在一些实施例中，还包括：并联连接的第二组二极管D_2k，2≤k≤n，其中D_2k的阴极与S_i的栅极连接，D_2k的阳极与S_i的源极连接，其中k与i的取值相对应，k为自然数且n为大于等于2的自然数。

在一些实施例中，还包括：第三组二极管D_3t，2≤t≤n，其中D_3t的阴极与S_i的栅极连接，其中t与i的取值相对应，D_3t的阳极接收所述电压控制模块输出的控制信号，以控制所述场效应晶体管S_i导通或关闭，其中t为自然数且n为大于等于2的自然数。

在一些实施例中，所述电流检测单元包括电阻元件、电感元件或霍尔传感器元件。

在一些实施例中，所述控制单元包括运算放大器、微控制器、FPGA或单片机。

在一些实施例中，所述电源电路被构造为利用串联连接的电阻和电容的并联结构替代所述串联连接的第一组二极管D_1i，1≤i≤n，i、n为自然数，n≥2。

在一些实施例中，还包括：第四二极管，所述第四二极管的阴极与场效应晶体管S_n的漏极连接，所述第四二极管的阳极与第二电阻的一端连接；第二电阻，所述第二电阻的另一端与地连接。

根据本公开的另一方面，提供了一种多点场致发射电子源，包括：至少一个根据上述实施例所述的电源电路；以及栅极组件和至少一个阴极，所述栅极组件与所述电源电路中的电压源的正极连接，且所述电压源的正极与地连接，所述至少一个阴极与至少一个电源电路一一对应，且所述至少一个阴极与所述至少一个电源电路的输出端连接，所述多个阴极与所述栅极组件平行布置，在每个所述阴极与所述栅极组件之间形成场致发射电场。

根据公开实施例的技术方案，提供了一种电源电路，其中，通过多个场效应管级联方式分担阴极场致发射所需高压，解决了单个场效应管耐压不足的问题，增加了电路工作可靠性，也降低了场致发射电子源控制***的生产成本，并且实现了场致发射电子源的瞬时启动和关闭。

附图说明

通过下面结合附图说明本公开实施例，将使本公开实施例的上述及其它目的、特征和优点更加清楚。应注意，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在附图中：

图1示出了根据本公开实施例的电源电路的电路图；

图2示出了根据本公开实施例的单通道场致发射电子源的电路图；

图3示出了根据本公开另一实施例的单通道场致发射电子源的电路图；以及

图4示出了根据本公开实施例的多点场致发射电子源的电路图。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部。基于所描述的本公开实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例都属于本公开保护的范围。在以下描述中，一些具体实施例仅用于描述目的，而不应该理解为对本公开有任何限制，而只是本公开实施例的示例。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。应注意，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。

除非另外定义，本公开实施例使用的技术术语或科学术语应当是本领域技术人员所理解的通常意义。本公开实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似词语并不表示任何顺序、数量或重要性，而只是用于区分不同的组成部分。

此外，在本公开实施例的描述中，术语“连接至”或“相连”可以是指两个组件直接连接，也可以是指两个组件之间经由一个或多个其他组件相连。此外，这两个组件可以通过有线或无线方式相连或相耦合。

现有的已经开发的场致发射X射线源采用场致发射电子源，通过场致电子发射的方式产生电子束，包括产生电子束的部分(称为阴极)和产生控制电场的部分。固体发生场致发射需要很强的电场，这也是场发射阴极的必备要素，通过对阴极材料的改进，场致发射电压阈值大大降低，达到了每微米数伏(V/um)的水平，因此场致发射电子源的栅极控制电压与阴栅的间距直接相关，不同的工艺方法可能控制在几十微米(um)到毫米(mm)量级，因此场致发射电子源的工作电压在几千伏(kV)。

本公开的实施例首先提出了一种电源电路，可以作为上述场致发射电子源所需的电源使用。但应理解，本公开实施例中的电源电路也可以应用于其他场合，例如电真空领域。

图1示出了根据本公开实施例的电源电路的电路图，如图1所示，根据本公开实施例的电源电路主要包括经由漏极和源极依次串联连接的场效应晶体管S_i，1≤i≤n，n≥2，其中i、n为自然数。在图1中，S₁的源极与电压源的负极连接，电压源的正极作为电源电路的一个输出端，S₁的漏极与S₂的源极连接，S₂的漏极连接S₃的源极，依次类推，S_n-1的漏极连接S_n的源极，S_n的漏极作为电源电路的另一个输出端，可以在电源电路的两个输出端之间连接负载。

如图1所示，电源电路还包括串联连接的二极管(第一组二极管)D_1i，1≤i≤n，n≥2，其中i、n为自然数。在图1中可以看出，二极管D₁₁并联连接在S₂的栅极与电压源的负极之间，D_1n并联连接在S_n的栅极与S_n的漏极之间，当n>2时，其余二极管D_1i与场效应管S_i一一对应，即其余的D_1i并联连接在S_i的栅极与S_i+1的栅极之间。例如，二极管D₁₂并联连接在S₂的栅极与S₃的栅极之间，二极管D₁₃并联连接在S₃的栅极与S₄的栅极之间，依次类推。

如图1所示，电源电路还包括电压控制模块，电压控制模块可以调整电压源的输出电压，以使通过负载的电流恒定。

根据本公开的实施例，如图1所示，电源电路还可以包括并联连接的二极管(第二组二极管)D_2k和电阻(第一组电阻)R_1j，2≤k≤n，2≤j≤n，其中k、j和n均为大于等于2的自然数。在图1中，将二极管(第二组二极管)D_2k包括在虚线框中，表示该是可选元件。

在图1中可以看出，k与j的取值相对应，对应的二极管D_2k与电阻R_1j并联连接，再整体并联连接在场效应管S_i的栅极和源极之间。其中二极管D_2k的阳极与场效应管S_i的栅极连接，二极管D_2k的阴极与场效应管S_i的源极连接。例如，二极管D₂₂和电阻R₁₂并联连接在S₂的栅极和源极之间，且D₂₂的阴极与S₂的栅极连接，D₂₂的阳极与S₂的源极连接，依次类推。

根据本公开的实施例，电流反馈模块可以进一步包括检测单元和控制信号生成单元，其中检测单元与连接到电源电路的输出端的负载串联连接，以检测通过负载的电流。控制信号生成单元根据通过负载的电流生成控制信号，并将控制信号施加到电压源，后面将结合具体的示例详细说明。

检测单元可以是电阻元件、电感元件或霍尔传感器元件，本公开的实施例不限于此。控制信号生成单元可以是运算放大器、微控制器、FPGA或单片机，本公开的实施例不限于此。

根据本公开的实施例，控制信号生成单元被配置为将通过负载的电流与电流设定值进行比较，并且当通过负载的电流小于电流设定值时，增加电压源的输出电压，当通过负载的电流大于电流设定值时，减小电压源的输出电压。

根据本公开的实施例，场效应晶体管S_i，1≤i≤n为N沟道增强型场效应管，这可以显著地简化电路结构。并且，所有场效应晶体管S_i，1≤i≤n可以根据施加到栅极的控制信号导通或关断。当场效应晶体管S_i，1≤i≤n导通时，场效应晶体管S_i工作在可变电阻区，当场效应晶体管S_i，1≤i≤n关断时，场效应晶体管S_i位于夹断区。

对场效应晶体管S_i的栅极电路的控制也可以通过电压控制模块中的控制信号生成单元实现。在如图1所示的电源电路中，还包括第三组二极管D_3t，2≤t≤n，其中D_3t的阴极与S_i的栅极连接，其中t与i的取值相对应。D_3t的阳极接收电压控制模块输出的控制信号，以控制场效应晶体管S_i导通或关闭，其中i、t为自然数且n为大于等于2的自然数。

在本公开的实施例中，通过调节电压源的输出电压实现了电源电路输出电流的恒定，并同时通过控制串联连接的多个场效应晶体管的同时导通和关断，实现了高压与快速响应。

下面结合具体的示例更详细地对该电源电路进行说明。

图2示出了根据本公开实施例的单通道场致发射电子源的电路图。

如图2所示，电路包括依次串联的n个场效应管S₁，S₂，…，S_n。瞬态抑制二极管(TVS管)或齐纳二极管(或稳压管)D₁₁，D₁₂，…，D_1n，D₂₂，…，D_2n，D4。二极管D₃₂，…，D_3n。电阻R₂，R₁₂…R_1n，其中R₁₂…R_1n分别并联在齐纳二极管D₂₂…D_2n的两端。场效应管S₁的源极与检测单元相连，用于检测通过负载的电流。场效应管S₁的漏极与场效应管S₂的源极相连，场效应管S₂的漏极与场效应管S₃的源极相连，…，场效应管S_n-1的漏极与场效应管S_n的源极相连，场效应管S_n的漏极与场致发射电子源的阴极相连。稳压管D₂₂的阴极连接场效应管S₂的栅极，稳压管D₂₂的阳极连接场效应管S₂的源极，电阻R₁₂并联在稳压管D₂₂的两端，依次类推。稳压管D₂₃和电阻R₁₃的并联电路连接在场效应管S₃的栅极和源极之间，…,稳压管D_2n和电阻R_1n的并联电路连接在场效应管S_n的栅极源极之间。稳压管和电阻构成的并联电路使得场效应管的栅源电压Ugs不超过场效应管栅源极电压上限。电压源可以是负高压源，其负极输出负高压，其正极与地连接。

D₁₁的阳极与场效应管S₁的源极相连，D₁₁阴极与场效应管S₂的栅极相连，D_1n的阳极与场效应管S_n的栅极相连，D_1n阴极场致发射电子源阴极相连，当n≥2时，D₁₂的阳极与S₂的栅极相连，D₁₂的阴极与S₃的栅极相连，D₁₃，…，D_1n-1采用类似上述D₁₂与S₂和S₃连接的方式分别与场效应管S₂，…，S_n一一对应连接。单个场效应管耐压较低，通过多个场效应管串联，可以分担高压。每个场效应管的源极与漏极之间承受的最大电压值由其对应的D_1n的电气特性决定。

除采用稳压管均衡场效应管源极和漏极电压外，也可以采用电阻和电容并联的方式实现。如图3所示，电阻R₃₁与电容C₁₁构成的并联网络替代了图2中的稳压管D₁₁。

电阻R₂一端连接地GND，另一端连接稳压管D₄的阳极，二极管D₄的阴极与场致发射电子源的阴极连接。其作用是当场致发射电子源不工作时，通过稳压管D₄和电阻R₂构建的回路泄放阴极积累的电荷。

二极管D₃₂，…，D_3n的阳极均与控制信号生成单元连接，可以接收来自控制信号生成单元的控制信号，并在控制信号的控制下导通或关断。二极管D₃₂，…，D_3n的阴极连接对应场效应晶体管的栅极。例如，D₃₂的阴极与场效应管S₂栅极相连，D₃₃的阴极与场效应管S₃栅极相连，以此类推，二极管D_3n的阴极与场效应管S_n的栅极相连。二极管D_3n和场效应管组合起到保护控制信号生成单元的作用，防止控制信号生成单元被场效应管栅极电压反向击穿。

***启动后，电压源输出负高压，控制信号生成单元控制场效应管的栅极信号，例如，控制S₁，…，S_n统一导通或关断。当场效应管S₁,…,S_n导通时，场致发射电子源的阴极的电位达到电压源的输出电压，场致发射电子源的阴极与栅极的电位差大于场致发射的临界值，阴极向栅极发射电子。此时，栅极、阴极、S_n，…，S₁，检测单元、电压源及地构成电流回路。

控制信号生成单元基于将通过负载的电流与电流设定值进行比较的结果对电压源输出的负高压进行调整，调整范围可以达0v～-几Kv。

检测单元检测通过场致发射电子源的电流大小，并将电流检测值反馈给控制信号生成单元。检测单元有多种实现方法，最常见的如电流采样电阻、感应线圈或者用霍尔感应器等都可以实现电流采集功能。

控制信号生成单元接收电流检测值，通过比较电流检测值与电流设定值，调节电压源输出的负电压，从而实现回路内电流恒定。控制信号生成单元的搭建方式有多种，例如使用运算放大器，或者使用带DA、AD的MCU等。

本公开实施例提供的电源电路易于扩展，通过控制场效应晶体管S1至Sn分别工作在可变电阻区或夹断区，可以控制电源电路开启或关闭，因此可以结合场致发射电子源构成多点场致发射电子源，从而有利在不同的通道之间进行控制。

图4示出了根据本公开实施例的多点场致发射电子源的电路图。如图4所示，该多点场致发射电子源包括至少一个参考图1至图3所述实施例的电源电路，每个电源电路构成一个通道，各电源电路之间并联，相互之间可以相对独立地工作，并且可以独立开启和关闭。

如图4所示，该多点场致发射电子源还包括栅极组件和至少一个阴极，栅极组件与地连接，至少一个阴极与至少一个电源电路一一对应，且至少一个阴极与至少一个电源电路的输出端连接，多个阴极与栅极组件平行布置，在每个阴极与栅极组件之间形成场致发射电场。

如图4所示，多点分布场致发射电子源的阴极组件由多个阴极组成，每个阴极对应各自的通道传送高压电场。每个高压电场的传送都有独立的控制信号，在同一时刻可以只有一个高压电场进行传送。

根据本公开的实施例，有利于在一个管体结构内集成一个到几百个场致发射阴极，并通过调节负高压电源输出电压的方式进行恒流控制，使电路在毫秒级内达到电流稳定状态。

本公开提供了一种带有高压恒流控制***的场致发射电子源，通过多个场效应管级联方式分担阴极场致发射所需高压，解决了单个场效应管耐压不足的问题，增加了电路工作可靠性，也降低了场致发射电子源控制***的生产成本。由于高压恒流控制***中的场效应管具有快速导通关断的特性，因此带有高压恒流控制***的场致发射电子源可实现瞬时启动和关断的功能，并通过电流闭环检测反馈机制，使得每个场致发射阴极的工作电流发射恒定，实现场致发射电子源的恒流工作模式。

至此已经结合优选实施例对本公开进行了描述。应该理解，本领域技术人员在不脱离本公开实施例的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此，本公开实施例的范围不局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。

Claims (13)

1.一种电源电路，包括：

经由漏极和源极依次串联连接的场效应晶体管S_i，1≤i≤n，i、n为自然数，n≥2，其中S₁的源极与电压源的负极连接，S_n的漏极作为电源电路的输出端，用于连接负载；

串联连接的第一组二极管D_1i，1≤i≤n，i、n为自然数，n≥2，其中D₁₁并联连接在S₂的栅极与所述电压源的负极之间，D_1n并联连接在S_n的栅极与S_n的漏极之间，当n>2时，其余的D_1i并联连接在S_i的栅极与S_i+1的栅极之间；

第一组电阻R_1j，2≤j≤n，其中R_1j并联连接S_i的栅极和源极，其中j与i的取值相对应；i、j为自然数；以及

电压控制模块，调整所述电压源的输出电压，以使通过负载的电流恒定；

其中，所述场效应晶体管S_i，1≤i≤n工作在可变电阻区。

2.根据权利要求1所述的电源电路，其中，场效应晶体管S_i，1≤i≤n为N沟道增强型场效应管。

3.根据权利要求1所述的电源电路，其中，所述电压控制模块包括：

检测单元，与连接到所述电源电路的输出端的负载串联连接，以检测通过负载的电流；以及

控制信号生成单元，根据通过负载的电流生成控制信号，并将所述控制信号施加到所述电压源。

4.根据权利要求3所述的电源电路，其中，所述控制信号生成单元被配置为：

将通过负载的电流与电流设定值进行比较；

当通过负载的电流小于所述电流设定值时，增加所述电压源的输出电压；

当通过负载的电流大于所述电流设定值时，减小所述电压源的输出电压。

5.根据权利要求1所述的电源电路，还包括：并联连接的第二组二极管D_2k，2≤k≤n，其中D_2k的阴极与S_i的栅极连接，D_2k的阳极与S_i的源极连接，其中k、i的取值相对应，k、n为自然数，n≥2。

6.根据权利要求1所述的电源电路，还包括：

第三组二极管D_3t，2≤t≤n，其中D_3t的阴极与S_i的栅极连接，其中t与i的取值相对应，D_3t的阳极接收所述电压控制模块输出的控制信号，以控制所述场效应晶体管S_i导通或关闭，其中t为自然数且n为大于等于2的自然数。

7.根据权利要求3或4所述的电源电路，其中，所述检测单元包括电阻元件、电感元件或霍尔传感器元件。

8.根据权利要求3或4所述的电源电路，其中，所述控制信号生成单元包括运算放大器、微控制器、FPGA或单片机。

9.根据权利要求1所述的电源电路，其中，所述电源电路被构造为利用串联连接的电阻和电容的并联结构替代所述串联连接的第一组二极管D_1i，1≤i≤n，i、n为自然数，n≥2。

10.根据权利要求1至6、9中任一项所述的电源电路，还包括：

第四二极管，所述第四二极管的阴极与场效应晶体管S_n的漏极连接，所述第四二极管的阳极与第二电阻的一端连接；

第二电阻，所述第二电阻的另一端与地连接。

11.根据权利要求7所述的电源电路，还包括：

第四二极管，所述第四二极管的阴极与场效应晶体管S_n的漏极连接，所述第四二极管的阳极与第二电阻的一端连接；

第二电阻，所述第二电阻的另一端与地连接。

12.根据权利要求8所述的电源电路，还包括：

第四二极管，所述第四二极管的阴极与场效应晶体管S_n的漏极连接，所述第四二极管的阳极与第二电阻的一端连接；

第二电阻，所述第二电阻的另一端与地连接。

13.一种多点场致发射电子源，包括：

至少一个如权利要求1至12中任一项所述的电源电路；以及

栅极组件和至少一个阴极，所述栅极组件与所述电源电路中的电压源的正极连接，且所述电压源的正极与地连接，所述至少一个阴极与至少一个电源电路一一对应，且所述至少一个阴极与所述至少一个电源电路的输出端连接，所述至少一个阴极与所述栅极组件平行布置，在每个所述阴极与所述栅极组件之间形成场致发射电场。

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