ЗАПИРАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С РЕГУЛИРУЕМЫМ ВЫХОДНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ Российский патент 2000 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к запирающему преобразователю постоянного напряжения, как он указан в ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

Подобный запирающий преобразователь постоянного напряжения уже известен из книги автора Joachim Wustehube "Schaltnetzteile: Grundlagen, Entwurf, Schaltungsbeispiele", expert-verlag, 1979, стр. 87 - 91.

Обычные запирающие преобразователи постоянного напряжения имеют трансформатор, который в течение времени включения лежащего в цепи главного тока на первичной стороне силового переключателя принимает энергию и, по меньшей мере, во время части фазы запирания силового переключателя отдает энергию цепи главного тока на вторичной стороне.

Выходное напряжение запирающего преобразователя постоянного напряжения является постоянным напряжением, величина которого является частью амплитуды импульсного напряжения на вторичной стороне. Диапазон регулирования силового переключателя часто ограничен до коэффициента заполнения периода импульса 0,5.

Далее из книги "Motorola Linear and Interface Integrated Circuits", 2-е издание, 1988, стр. 5-17 до 5-24 уже известны опорные элементы, которые могут находить применение в качестве регуляторов. Подобные опорные элементы имеют вывод напряжения отсчета, вход фактического значения и выход устанавливающего напряжения.

Выходное напряжение запирающего преобразователя постоянного напряжения можно регулировать с помощью устройства регулирования до постоянного значения. Конечно при этом могут возникать трудности, если с помощью запирающего преобразователя постоянного напряжения должно создаваться сравнительно малое выходное напряжение. Если выдаваемое запирающим преобразователем постоянного напряжения регулируемое выходное напряжение является не достаточным в качестве вспомогательного напряжения для устройства регулирования, то необходимое вспомогательное напряжение должно создаваться дополнительно к регулируемому выходному напряжению.

Если запирающий преобразователь постоянного напряжения сам по себе не содержит подходящей выходной цепи, то такое вспомогательное напряжение может получаться посредством дополнительно размещенной на сердечнике трансформатора обмотки. Для этого требуется трансформатор с высокими расходами на обмотки, а также с повышенной потребностью в пространстве для обмотки, что, кроме того, может приводить также к термическим проблемам в трансформаторе.

Другая возможность заключается в том, чтобы использовать в качестве вспомогательного напряжения выходное напряжение другого имеющегося преобразователя постоянного напряжения. При подобной связи двух преобразователей постоянного напряжения однако могут возникать трудности относительно постоянства вспомогательного напряжения в случае ограничения тока дополнительного преобразователя постоянного напряжения или во временной последовательности увеличения вспомогательного напряжения и выходного напряжения запирающего преобразователя постоянного напряжения.

Поэтому задачей изобретения является такое выполнение запирающего преобразователя постоянного напряжения с регулируемым выходным напряжением, чтобы вспомогательное напряжение в запирающем преобразователе постоянного напряжения получалось само и с небольшими затратами.

Соображения в рамках изобретения показали, что в запирающем преобразователе постоянного напряжения на выпрямительном диоде цепи главного тока на выходной стороне имеется в распоряжении прямоугольное напряжение, амплитуда которого при обычных параметрах запирающего преобразователя постоянного напряжения составляет примерно двойную величину регулируемого выходного напряжения, и что необходимое для устройства регулирования вспомогательное напряжение в связи со сравнительно небольшой токовой нагрузкой источника вспомогательного напряжения может быть получено из этого прямоугольного напряжения с помощью вспомогательной схемы.

Согласно изобретению для решения поставленной задачи запирающий преобразователь постоянного напряжения выполнен согласно отличительной части пункта 1 формулы изобретения. При этом вспомогательное напряжение, которое отводится от напряжения, появляющегося в подлежащей регулированию выходной цепи, наращивают до регулируемого выходного напряжения и таким образом получают желательное напряжение питания в качестве суммарного напряжения из выходного напряжения и вспомогательного напряжения.

За счет соответствующих изобретению мер получается предпочтительным образом запирающий преобразователь постоянного напряжения, в котором с особенно малыми затратами и большой надежностью получается как сравнительно малое регулируемое выходное напряжение для относительно большого тока нагрузки, так и большее по сравнению с ним вспомогательное напряжение для сравнительно малой потребности в токе.

Предпочтительные формы выполнения изобретения следуют из зависимых пунктов 2 - 8 формулы изобретения.

Изобретение поясняется ниже более подробно с помощью представленных на чертежах примеров выполнения.

При этом показывают:
фиг. 1 - запирающий преобразователь постоянного напряжения с содержащей операционный усилитель схемой регулирования и
фиг. 2 - запирающий преобразователь постоянного напряжения с содержащим опорный элемент устройством регулирования и
фиг. 3 - запирающий преобразователь постоянного напряжения с отрицательным выходным напряжением.

В показанной на фиг. 1 схеме электрический потребитель 9 расположен на выходе b, с запирающего преобразователя постоянного напряжения. Этот потребитель 9 является, в частности, ASIC, то есть специализированной интегральной схемой, которая требует напряжения питания ниже 5 вольт.

Цепь главного тока 1 на первичной стороне проходит от входа для постоянного напряжения U1 источника постоянного напряжения 11 через первичную обмотку 21 трансформатора 2 и включенный последовательно к ним электронный ключ 12.

Цепь главного тока 3 на вторичной стороне проходит от конца вторичной обмотки 22 трансформатора 2 через выпрямительный диод 31 к выходному выводу b. В следующей за выпрямительным диодом 31 поперечной ветви находится накопительный конденсатор 32, на котором появляется постоянное напряжение U2. Другой конец вторичной обмотки 22 находится, как и другой выходной вывод с, на потенциале отсчета.

Электронный ключ 12 является, в частности, полевым транзистором в качестве силового переключателя. Электронный ключ 12 периодически управляется в проводящее состояние с помощью тактово управляемого управляющего устройства 5 с помощью импульсов включения и образует исполнительное звено объекта регулирования. Коэффициент заполнения периода импульса управляющего напряжения, которое управляет электронным ключом 12, ограничен до заданного верхнего граничного значения. Верхнее граничное значение коэффициента заполнения периода импульса управляющего напряжения составляет предпочтительно порядка 0,5. При этом под коэффициентом заполнения периода импульса следует понимать отношение длительности импульса к длительности периода.

В связи с конечным, не являющимся пренебрежимо малым падением напряжения на светоизлучающем диоде 62 оптического соединителя 6 и с учетом напряжения питания, которое требуется образованному операционным усилителем регулятору 72, выходное напряжение U2 запирающего преобразователя постоянного напряжения не является достаточным в качестве вспомогательного напряжения для устройства регулирования 7.

К выпрямительному диоду 31 цепи главного тока 3 на вторичной стороне подключена вспомогательная схема 4. Вспомогательная схема 4 содержит состоящую из конденсатора 41, сопротивления 42 и диода 43, расположенную параллельно к диоду 31 последовательную схему. В этой последовательной схеме расположены последовательно друг с другом RC-последовательная схема 41, 42 и диод 43. При этом неодноименные выводы диодов 31 и 43 соединены друг с другом. Отсюда получается, что диод 43 при проводящем диоде 31 является запертым.

Точка соединения между диодом 43 и RC-последовательной схемой 41, 42 через диод 44 и расположенный последовательно с ним конденсатор 45 подведена к точке соединения диодов 31 и 41. Точка соединения обеих диодов 31 и 43 соединена с выводом b, который является как входным, так и выходным выводом вспомогательной схемы 4. Диод 44 имеет такую полярность, что неодноименные выводы диодов 43 и 44 соединены друг с другом. Отсюда получается, что диод 44 запирается, когда диод 43 является проводящим.

Конденсатор 45 расположен параллельно к выходу а2, b вспомогательной схемы 4. Один вывод конденсатора 45 соединен с выводом b выхода преобразователя b, с, находящимся под напряжением U3 относительно потенциала отсчета. Другой вывод а2 находится под вспомогательным напряжением U3 относительно вывода b и под напряжением питания U4 относительно потенциала отсчета на выходном выводе с цепи главного тока 3 на вторичной стороне.

Параллельно к конденсатору 45 расположен полупроводниковый стабилитрон 46, который вместе с резистором 42 образует устройство для стабилизации напряжения и ограничивает лежащее на конденсаторе 45 напряжение U3 до заданного значения.

На фиг. 1 обозначены:
U1 - входное напряжение запирающего преобразователя постоянного напряжения,
U2 - постоянное напряжение на выходе b, с,
U3 - выходное напряжение вспомогательной схемы 4,
U4 - напряжение питания для устройства регулирования 7,
U5 - амплитуда импульсного напряжения на вторичной обмотке 22 при проводящем ключе 12,
U6 - амплитуда импульсного напряжения на вторичной обмотке 22 при закрытом ключе 12,
U7 - импульсное напряжение на выпрямительном диоде 31,
U8 - прямое напряжение выпрямительного диода 31,
U9 - напряжение на конденсаторе 41,
U10 - напряжение на проводящем диоде 43 и
U11 - напряжение на проводящем диоде 44,
I_L - зарядный ток, текущий через резистор 42,
I_E - разрядный ток, текущий через резистор 42 и
R42 - значение сопротивления резистора 42.

Напряжение питания U4 образуется при применении подлежащего регулированию выходного напряжения U2, а именно путем суммирования вспомогательного напряжения U3 с выходным напряжением U2.

Трансформатор 2 имеет коэффициент трансформации причем
w1 - число витков первичной обмотки 21,
w2 - число витков вторичной обмотки 22 и
U1_min - минимальное значение входного напряжения U1.

Во время фазы проводимости транзистора 12 на вторичной стороне трансформатора 2 получается импульс напряжения с амплитудой U5 = U1 • ü. Диод 31 препятствует, чтобы этот импульс напряжения оказывал воздействие в силовой цепи 3, то есть в цепи главного тока на вторичной стороне. На диоде 31 при этом лежит напряжение U5 + U2.

Через диод 43 и резистор 42 конденсатор 41 заряжается зарядным током i_L до напряжения U9 = U5+U2-U10.

При проектировании запирающего преобразователя постоянного напряжения для значения коэффициента заполнения периода импульса γ ≤ 0,5 получается напряжение U9 ≥ 2•U2 и I_L ≈ I_E ≥ 2 • 13.

Кроме того, накопительный трансформатор 2 во время фазы проводимости транзистора 12 принимает энергию соответственно выходной мощности, требуемой от нагрузочного резистора 9. Если транзистор 12 выключается, то накопительный трансформатор 2 отдает свою энергию на выход b, с. При этом через диод 31 течет ток нагрузки.

На аноде диода 31 во время фазы запирания транзистора 12 лежит напряжение U6 = U2 + U8. К этому значению прибавляется лежащее на конденсаторе 41 напряжение U9 и течет ток I_E в конденсатор 45. При этом

причем R₄₂ является значением сопротивления омического резистора 42.

Отсюда получается вспомогательное напряжение
U3=U9+U8-U11-I_E•R₄₂
= U1 ü + U2 + U8 - U10 - U11 -I_E•R₄₂, причем I_E является разрядным током для конденсатора 41.

Вспомогательное напряжение U3 является зависимым от съема тока 13 ≈ I_E и входного напряжения U1. С помощью полупроводникового стабилитрона 46 можно ограничивать по потребности вспомогательное напряжение U3, причем R₄₂ действует в качестве гасящего резистора.

Как показали исследования в рамках изобретения, вспомогательное напряжение U4 нарастает раньше, чем подлежащее регулированию выходное напряжение U2. Тем самым обеспечивается своевременное питание регулятора 72 преобразователя согласно фиг. 1 или опорного элемента 86 преобразователя согласно фиг. 2 и диода оптического соединителя 62 при начале процесса регулирования, а также достаточный резерв напряжения для регулирования. Вспомогательная схема 4 позволяет предпочтительным образом производить регулирование малых выходных напряжений U2 с помощью полученного из напряжения выходной цепи вспомогательного напряжения при независимых и определенных характеристиках регулятора и это со сравнительно небольшой потребностью в конструктивных элементах.

За счет полупроводникового стабилитрона 46 и резистора 42 напряжение U4 ограничивают до зенеровского напряжения полупроводникового стабилитрона 46. Зенеровское напряжение выбрано таким образом, что подключенный регулятор напряжения полностью защищается от слишком высокого рабочего напряжения. В области малых входных напряжений до средних входных напряжений предпочтительно он не пропускает тока. Высота прибавленного к выходному напряжению U2 напряжения U3 примерно соответствует выходному напряжению U2, то есть в распоряжении имеется вспомогательное напряжение U4, которое примерно равно удвоенному выходному напряжению U2.

На выходе запирающего преобразователя постоянного напряжения лежит устройство для образования фактического значения. Оно содержит расположенный между выходными выводами b и с и состоящий из резисторов 73 и 74 делитель напряжения. На выводе омического делителя напряжения 73, 74 снимается часть выходного напряжения U2 и подводится к входу фактического значения e1 устройства регулирования 7.

Устройство регулирования 7 таким образом через делитель напряжения 73, 74 подключено к выходу b, с запирающего преобразователя постоянного напряжения.

Вход вспомогательного напряжения d1, f1 устройства регулирования 7 лежит на выходе а, с последовательной схемы, образованной из выходов вспомогательной схемы 4 и цепи главного тока 3 на вторичной стороне.

Вход напряжения питания регулятора 72 соединен с входом вспомогательного напряжения d1, f1 устройства регулирования 7.

Регулятор 72 устройства регулирования 7 подключен своим инвертирующим входом к опорному напряжению U7 и своим неинвертирующим входом к входу фактического значения e1.

Образованная из светоизлучающего диода 62 оптического соединителя 6 и резистора 71 последовательная схема расположена между выходом регулятора 72 и входом вспомогательного напряжения d1 устройства регулирования 7.

Показанный на фиг. 2 запирающий преобразователь постоянного напряжения в значительной степени совпадает с преобразователем согласно фиг. 1. В отличие от него вместо устройства регулирования 7 предусмотрено устройство регулирования 8. Регулятор устройства регулирования 8 образован опорным элементом 86.

Опорный элемент 86 является стандартной интегральной схемой, например, типа TL 431 фирмы Motorola, а именно трехполюсной интегральной схемой, которая функционирует как операционный усилитель с встроенным источником опорного напряжения с опорным напряжением 2,49 вольт высокой стабильности. Подобный регулятор имеет ввод напряжения отсчета i, вход фактического значения h и выход установочного напряжения g. Регулятор 86 содержит источник опорного напряжения и выдает на выходе установочного напряжения g установочное напряжение U12.

На выходе главной цепи тока на вторичной стороне расположен делитель напряжения, выполненный из резисторов 87 и 88. Точка соединения резисторов 87 и 88 заведена на вход фактического значения е2 устройства регулирования 8. Вход фактического значения h опорного элемента 86 соединен с входом фактического значения е2 устройства регулирования 8.

Выход установочного напряжения g опорного элемента 86 через резистор 82 подключен к входу вспомогательного напряжения d2 устройства регулирования 8. Параллельно к резистору 82 расположена последовательная схема, выполненная из резистора 81 и светоизлучающего диода 62 оптического соединителя 6. Между входом фактического значения е устройства регулирования и светоизлучающим диодом 62 лежит двухполюсник, образованный резистором 83 и расположенным параллельно к нему RC-звеном 84, 85.

Выход установочного напряжения g регулятора 86 заведен через оптический соединитель 6 на аналого-цифровой преобразователь 51, за которым следует управляющая часть 52 для управления электрического ключа 12.

Устройство регулирования 8 регулирует выходное напряжение U2 запирающего преобразователя постоянного напряжения так, что напряжение U12 является равным внутреннему опорному напряжению U_ref опорного элемента 86.

Напряжение питания опорного элемента напряжения 86 является большим, чем сумма из опорного напряжения U12 и падения напряжения на светоизлучающем диоде 62 оптического соединителя 6. Так, в частности, при опорном элементе 86 с опорным напряжением в 2,5 вольта при выходном напряжении U2 ниже 5 вольт больше нельзя работать без дополнительно созданного вспомогательного напряжения.

Фиг. 3 показывает схему с запирающим преобразователем постоянного напряжения, в которой положительный полюс выхода лежит на потенциале отсчета. Конец вторичной обмотки 22 соединен с лежащим на потенциале отсчета выходным выводом с. В отличие от фиг. 1 и 2 выпрямительный диод 31 цепи главного тока 3 на вторичной стороне соединен с началом вторичной обмотки 22.

Вспомогательная схема 4 по своей конструкции совпадает с вспомогательными схемами согласно фиг. 1 и 2. Диоды 31, 43 и 44 снова соединены последовательно с такой же полярностью. Отличие от фигур 1 и 2 состоит в том, что выпрямительный диод 31 цепи главного тока 3 на вторичной стороне соединен своим катодом с началом вторичной обмотки 22. При этом расположении на выходном выводе а получается отрицательное относительно потенциала отсчета вспомогательное напряжение U4.

Показанные на фиг. 1 - 3 запирающие преобразователи постоянного напряжения предпочтительно имеют такие параметры, что выходное напряжение U2 является меньше 5 вольт, а вспомогательное напряжение U4 составляет по меньшей мере 5 вольт.

Емкость конденсатора 45 в запирающих преобразователях постоянного напряжения согласно фигурам 1 - 3 целесообразно является значительно меньшей, чем емкость конденсатора 32. При этом получается, что вспомогательное напряжение U4 нарастает раньше, чем подлежащее регулированию выходное напряжение U2. Тем самым обеспечивается своевременное снабжение регулятора 72 согласно фиг. 1 или опорного элемента 86 и диода 62 оптического соединителя согласно фиг. 2 при начале процесса регулирования, а также достаточный резерв напряжения для регулирования.

Сравнительно большое вспомогательное напряжение U4 позволяет далее иметь независимые и определенные характеристики регулятора.

Запирающий преобразователь постоянного напряжения с подключенным на его выходе устройством регулирования и ограничением коэффициента заполнения периода импульса до заданного верхнего граничного значения. Техническим результатом является увеличение диапазона регулирования. Для питания устройства регулирования большим по сравнению с выходным напряжением вспомогательным напряжением к выпрямительному диоду цепи главного тока на вторичной стороне подключена последовательная схема из диода и последовательной RС-схемы. Другой диод ведет от последовательной схемы к выходу вспомогательной схемы. Запирающий преобразователь постоянного напряжения является особенно пригодным для снабжения специализированных интегральных схем (ASIС), которые требуют относительно малого напряжения питания. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Запирающий преобразователь постоянного напряжения с расположенным в цепи главного тока на первичной стороне последовательно к первичной обмотке трансформатора, управляемым посредством управляющего устройства электронным ключом, с подключенной к вторичной обмотке трансформатора цепью главного тока на вторичной стороне, которая содержит в продольной ветви первый диод и в последующей, расположенной параллельно к выходу запирающего преобразователя постоянного напряжения поперечной ветви накопительный конденсатор и с подключенным к выходу запирающего преобразователя постоянного напряжения и питаемым вспомогательным напряжением устройством регулирования, выход которого соединен с управляющим устройством электронного ключа, причем коэффициент заполнения периода импульса управляющего электронным ключом управляющего напряжения ограничен до заданного верхнего граничного значения, отличающийся тем, что к первому диоду цепи главного тока на вторичной стороне подключен вход вспомогательной схемы, выход которой соединен униполярно с ее входом, и что вспомогательная схема в продольной ветви на стороне входа содержит последовательную RC-схему, в последующей поперечной ветви второй диод в следующей за поперечной ветвью продольной ветви третий диод и параллельно к выходу конденсатор, причем вход вспомогательного напряжения устройства регулирования питается вспомогательным напряжением, которое является суммой из выходного напряжения запирающего преобразователя постоянного напряжения и выходного напряжения вспомогательной схемы, и причем второй диод включен с такой полярностью, что второй диод является запертым при проводящем первом диоде, и третий диод включен с такой полярностью, что он является запертым при проводящем втором диоде. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что граничное значение коэффициента заполнения периода импульса, управляющего электронным ключом управляющего напряжения, составляет, по меньшей мере, приближенно 0,5. 3. Преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что параллельно к выходу вспомогательной схемы расположен полупроводниковый стабилитрон. 4. Преобразователь по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что вход напряжения питания регулятора устройства регулирования соединен с входом вспомогательного напряжения устройства регулирования. 5. Преобразователь по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что светоизлучающий диод оптического соединителя расположен на выходе устройства регулирования и что последовательная схема, состоящая из светоизлучающего диода оптического соединителя и резистора, подключена к входу вспомогательного напряжения устройства регулирования. 6. Преобразователь по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что регулятор образован опорным элементов и что выход установочного напряжения опорного элемента через резистор подключен к входу вспомогательного напряжения устройства регулирования. 7. Преобразователь по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что выходное напряжение запирающего преобразователя постоянного напряжения является меньше 5 В, а вспомогательное напряжение составляет, по меньшей мере, 5 В.