СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G05F1/56 

Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания.

Известны стабилизированные преобразователи, содержащие блок регулятора, выход которого подключен ко входу трансформатора, первый выход трансформатора подключен к первому (силовому) выпрямителю, а второй - подключен ко входу второго(вспомогательного) выпрямителя, выход первого выпрямителя через выходной фильтр подключен к нагрузке, выход второго выпрямителя подключен ко второму (вспомогательному) фильтру, блок управления, интегрированный с блоком регулятора, выход которого объединен со входом последнего, усилитель сигнала рассогласования, входом подключенный к выходу преобразователя, а выходом - ко входу элемента гальванической развязки, первый вывод выхода элемента гальванической развязки подключен к выходу второго фильтра, а второй - к модулирующему входу блока управления, к последнему подключен первый вывод корректирующей RC-цепи, а второй ее вывод - к общему выводу блока управления [1], [2].

Известные стабилизированные преобразователи напряжения имеют низкие динамические характеристики. При скачкообразных изменениях тока нагрузки на его выходе возникают всплески и провалы напряжения. Основной причиной инерционности в контуре регулирования является корректирующая RC-цепь, шунтирующая модулирующий вход блока управления, необходимая для поддержания устойчивости преобразователя.

Характерным является то, что при быстром возрастании выходного напряжения происходит резкое отпирание выходного транзистора узла гальванической развязки, что приводит к быстрому заряду конденсатора RC-цепи (см.[1], рис.1). При этом всплеск выходного напряжения невелик.

Если же происходит снижение выходного напряжения вследствие скачкообразного увеличения тока нагрузки, то выходной транзистор узла гальванической развязки быстро запирается, но это не может привести к быстрому разряду конденсатора RC-цепи. Поэтому на выходе преобразователя образуется значительный провал напряжения, многократно превышающий по величине всплеск.

Наиболее близким к предлагаемому является стабилизированный преобразователь напряжения, содержащий блок регулятора, вход которого подключен к выходу первичного источника питания, выход подключен ко входу трансформатора, первый выход трансформатора подключен к первому выпрямителю, а второй - ко входу второго выпрямителя, выход первого выпрямителя через выходной фильтр подключен к нагрузке, выход второго выпрямителя подключен к второму фильтру, блок управления, выход которого подключен к управляющему входу блока регулятора, а вывод питания - к входу второго фильтра, усилитель сигнала рассогласования, входом подключенный к выходу преобразователя, а выходом - ко входу элемента гальванической развязки, первый вывод выхода элемента гальванической развязки подключен через резистор к выходу второго фильтра, а второй - к общему выводу блока управления, корректирующая RC-цепь, первый вывод которой подключен к модулирующему входу блока управления, а второй - к его общему выводу [2].

Этот преобразователь, также как и приведенный в [1], имеет низкие динамические характеристики. Процессы в нем протекают аналогично.

В случае всплеска выходного напряжения преобразователя выходной транзистор узла гальванической развязки быстро отпирается, разряжая конденсатор RC-цепи. Поэтому всплеск выходного напряжения невелик. В случае провала выходного напряжения преобразователя выходной транзистор узла гальванической развязки быстро запирается, но конденсатор RC-цепи вынужден долго заряжаться через резистор, подключенный к цепи питания блока управления. Поэтому в выходном напряжении возникает значительный провал.

Следует отметить, что режим скачкообразного изменения тока нагрузки от нулевого значения до максимального на практике встречается весьма часто. В частности он имеет место при загрузке в процессор операционной системы.

Значительный провал напряжения делает систему неработоспособной.

Техническим результатом, получаемым при осуществлении изобретения, является улучшение динамических характеристик преобразователя напряжения при скачкообразном увеличении тока нагрузки.

Это достигается тем, что в стабилизированный преобразователь напряжения, содержащий блок регулятора, вход которого подключен к выходу первичного источника питания, выход подключен ко входу трансформатора, первый и второй выходы трансформатора подключены соответственно ко входу первого и второго выпрямителя, выход первого выпрямителя через выходной фильтр подключен к нагрузке, выход второго выпрямителя подключен к второму фильтру, блок управления, выход которого подключен к управляющему входу блока регулятора, а выводы питания к выходам второго фильтра, усилитель сигнала рассогласования, входом подключенный к выходу преобразователя, а выходом - ко входу элемента гальванической развязки, один вывод которого через резистор, а второй непосредственно подключен к выводам питания блока управления, корректирующую RC-цепь, первый вывод которой подключен к входу блока управления, а второй - к его общему выводу, согласно изобретению введен транзистор, коллектор которого соединен с выходом второго фильтра, база транзистора через конденсатор подключена к выводу выхода элемента гальванической развязки, соединенному со входом блока управления через диод, а эмиттер транзистора подключен ко входу блока управления, переход база-эмиттер зашунтирован резистором.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого преобразователя напряжения, на фиг.2 - эпюры, поясняющие работу преобразователя, на фиг.3 - вариант исполнения введенного узла схемы.

На фиг. и в тексте приняты следующие обозначения: 1 - блок регулятора, 2 - первичный источник питания, 3 - трансформатор, 4 - первый выпрямитель, 5 - второй выпрямитель, 6 - выходной фильтр, 7 - нагрузка, 8 - второй фильтр, 9 - блок управления, 10 - усилитель сигнала рассогласования, 11 - элемент гальванической развязки, 12 - резистор, 13 - корректирующая RC-цепь, 14 - диод, 15 - транзистор, 16 - конденсатор, 17 - резистор.

Устройство содержит блок регулятора 1, вход которого подключен к выходу первичного источника питания 2, выход подключен ко входу трансформатора 3. Первый выход трансформатора 3 подключен к первому выпрямителю 4, а второй подключен ко входу второго выпрямителя 5, выход первого выпрямителя 4 через выходной фильтр 6 подключен к нагрузке 7. Выход второго выпрямителя 5 подключен к второму фильтру 8. Выход блока управления 9 подключен к управляющему входу блока регулятора 1. Выводы питания блока управления 9 подключены к вспомогательному фильтру 8. Вход усилителя сигнала рассогласования 10 подключен к выходу преобразователя. Выход усилителя 10 подключен ко входу элемента гальванической развязки 11. Первый вывод выхода элемента гальванической развязки 11 подключен через резистор 12 к выходу второго фильтра 8, а второй - к общему выводу блока управления 9. Первый вывод корректирующей RC-цепи 13 подключен к модулирующему входу блока управления 9, а второй - к его общему выводу. Первый вывод выхода элемента гальванической развязки 11 подключен к модулирующему входу блока управления 9 через диод 14. Коллектор транзистора 15 подключен к выходу второго фильтра 8. Эмиттер транзистора 15 подключен к модулирующему входу блока управления 9. База транзистора 15 через конденсатор 16 подключена к первому выводу выхода элемента гальванической развязки 11. Переход база-эмиттер транзистора 15 зашунтирован резистором 17. Первый вывод элемента гальванической развязки 11 соединен со входом блока управления 9 через диод 14.

Устройство работает следующим образом.

Напряжение первичного источника питания 2 поступает на блок регулятора 1, который осуществляет переключения трансформатора 3. Управляющие импульсы поступают на блок регулятора 1 от блока управления 9. Импульсы напряжения от первого выхода трансформатора 3 поступают на первый выпрямитель 4 и затем на выходной фильтр 6 и нагрузку 7.

Для электропитания блока управления 9 используется второй выход трансформатора 3, к которому подключен второй выпрямитель 5 и второй фильтр 8. Напряжение на выходе преобразователя контролируется усилителем сигнала рассогласования 10, имеющем в своем составе источник опорного напряжения. Выход усилителя сигнала рассогласования 10 подключен ко входной цепи элемента гальванической развязки 11, первый вывод его выходной цепи через резистор 12 подключен к шине питания блока управления 9 и через диод 14 к модулирующему входу.

Изменение сопротивления выходной цепи элемента гальванической развязки 11 приводит к изменению напряжения на модулирующем входе. Блок управления 9, в зависимости от алгоритма построения, формирует выходные импульсы с тем или иным видом модуляции (ШИМ, ЧИМ). Если выходное напряжение или ток нагрузки изменяются медленно, то транзистор выходной цепи элемента гальванической развязки 11 находится в линейном режиме. При скачкообразном изменении тока нагрузки усилитель сигнала рассогласования 10 и элемент гальванической развязки 11 реагируют на отклонения выходного напряжения практически мгновенно. В случае возникновения всплеска выходного напряжения транзистор выходной цепи элемента гальванической развязки 11 отпирается, и через диод 14 быстро разряжается конденсатор корректирующей цепи 13. Это приводит к быстрому уменьшению напряжения на модулирующем входе блока управления 9 и, соответственно, быстрой реакции контура обратной связи. При этом всплеск выходного напряжения незначителен (Фиг.2,а).

В случае возникновения провала выходного напряжения выходной транзистор элемента гальванической развязки 11 запирается. При отсутствии транзистора 15 конденсатор корректирующей RC-цепи 13 начинает заряжаться или через внутренние цепи блока управления 9, или через резистор, подключенный к шине питания этого блока (см.[3], R15). Напряжение на моделирующем входе лока управления 9 начинает возрастать, а на выходе преобразователя возникает неприемлемо большой провал напряжения (Фиг.2,а).

При введении транзистора 15 в случае запирания выходного транзистора элемента гальванической развязки 11 на коллекторе последнего резко возрастает напряжение. Импульсом, проходящим через конденсатор 16, транзистор 15 отпирается и напряжение на модулирующем входе блока управления 9 форсированно возрастает. Это приводит к многократному уменьшению провала выходного напряжения.

Таким образом, транзистор 15 отпирается только в момент запирания выходного транзистора элемента гальванической развязки 11, т.е. при размыкании контура обратной связи. При замкнутом контуре обратной связи через диод 14 постоянно протекает ток, транзистор 15 заперт, а конденсатор 16 заряжен до напряжения, соответствующего падению напряжения на диоде 14. Если напряжение на коллекторе выходного транзистора элемента гальванической развязки 11 резко возрастает, то напряжение на конденсаторе 16 способствует форсированному отпиранию транзистора 15.

Блок управления может быть построен таким образом, что транзистор выходной цепи элемента гальванической развязки эмиттером подключается к модулирующему входу (см.[1]). Для этого случая вариант исполнения введенного узла схемы показан на фиг.3.

Процессы в схеме протекают аналогично вышеописанным.

В настоящее время изготовлены и эксплуатируются 20 преобразователей с использованием предложенного решения. В частности в преобразователе с входным напряжением (36...72) В и выходными параметрами 5 В, 10 А с частотой коммутации 200 кГц и внутренней подгрузке 0,1 А, при скачкообразном изменении тока нагрузки от нулевого значения до 10 А провал напряжения составлял 2,5 В. При введении предлагаемого узла провал напряжения уменьшился до 0,15 В, что позволяет использовать преобразователь для электропитания микропроцессорных устройств.

Источники информации

1. Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. Справочник. М.: "Додэка-XXI", 2001, стр.482, рис.1.

2. Патент 2249905, Н02М 3/3 35.

3. И.М.Готтлиб. Источники питания. М.: Постмаркет, 2000, стр.462, 463.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания. Техническим результатом изобретения является улучшение динамических характеристик стабилизированного преобразователя напряжения при скачкообразном увеличении тока нагрузки. Это достигается введением транзистора (15), базой подключенного через конденсатор (16) к выходу узла гальванической развязки (11), эмиттером - к модулирующему входу блока управления (9) и корректирующей RC-цепи (13), а коллектором - к шине питания блока управления. Такое включение позволяет форсировать повышение напряжения на модулирующем входе блока управления (9) и практически устранить провалы выходного напряжения преобразователя при динамических воздействиях. 3 ил.

Стабилизированный преобразователь напряжения, содержащий блок регулятора, вход которого подключен к выходу первичного источника питания, выход подключен к входу трансформатора, первый и второй выходы трансформатора подключены соответственно к входу первого и второго выпрямителя, выход первого выпрямителя через выходной фильтр подключен к нагрузке, выход второго выпрямителя подключен к второму фильтру, блок управления, выход которого подключен к управляющему входу блока регулятора, а выводы питания - к выходам второго фильтра, усилитель сигнала рассогласования, входом подключенный к выходу преобразователя, а выходом - ко входу элемента гальванической развязки, один вывод выхода которого через резистор, а второй непосредственно подключен к выводам питания блока управления, корректирующая RC-цепь, первый вывод которой подключен к входу блока управления, а второй - к его общему выводу, отличающийся тем, что в него введен транзистор, коллектор которого соединен с выходом второго фильтра, база транзистора через конденсатор подключена к выводу выхода элемента гальванической развязки, соединенному со входом блока управления через диод, а эмиттер транзистора подключен ко входу блока управления, переход база-эмиттер транзистора зашунтирован резистором.