ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ Российский патент 2019 года по МПК H02M3/155 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее раскрытие относится к импульсному источнику питания, имеющему вспомогательную схему для подачи вспомогательного выходного напряжения.

Уровень техники

Импульсные источники питания представляют собой электронные схемы, преобразующие напряжение и ток источника электроэнергии посредством ключа, такого как транзистор. Малые габариты и высокие КПД делают их пригодными для самых разнообразных применений. Например, бытовые электронные приборы, такие как зарядные устройства для мобильных телефонов и блоки питания для портативных компьютеров, обычно включают в себя импульсный источник питания для преобразования переменного тока сети электропитания в постоянный ток, необходимый для нагрузки.

В дополнение к преобразованному напряжению импульсные источники питания часто выполнены с возможностью вырабатывать низкое вспомогательное напряжение для возбуждения ключа или некоторого другого компонента. В документе US 2011/0157919 A1 раскрыт пример того, как вырабатывается напряжение питания для интегральной схемы, используемой для управления системой регулирования переключающего напряжения. Желательно, чтобы эта выработка напряжения была энергоэффективной и недорогой в реализации.

Сущность изобретения

Общая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы выполнить усовершенствованный или альтернативный импульсный источник питания. Конкретные задачи включают в себя выполнение недорогой и энергоэффективной вспомогательной схемы, которая обеспечивает вспомогательное напряжение для компонента импульсного источника питания или для отдельной схемы, такой как контроллер для драйвера светоизлучающего диода.

Изобретение ограничено независимым пунктом формулы изобретения. Варианты осуществления изложены в зависимых пунктах формулы изобретения и описании и показаны на чертежах.

Согласно первому аспекту выполнен импульсный источник питания, содержащий основную схему, которая выполнена с возможностью приема постоянного входного напряжения и подачи постоянного выходного напряжения, и вспомогательную схему, которая выполнена с возможностью подачи вспомогательного напряжения. Основная схема содержит: индуктивный элемент для подачи постоянного выходного напряжения, переключающий элемент, соединенный с индуктивным элементом, и контроллер, выполненный с возможностью переключения переключающего элемента между проводящим состоянием и непроводящим состоянием. Переключающий элемент выполнен с возможностью подачи пульсирующего постоянного тока на потенциал земли. Вспомогательная схема содержит вспомогательный индуктор, подключенный для приема пульсирующего постоянного тока, и магнитно изолирован от индуктивного элемента. Следовательно, вспомогательный индуктор магнитно не связан с индуктивным элементом.

Под фразой "пульсирующий постоянный ток" подразумевается постоянный ток, имеющий переменную амплитуду. Аббревиатуры "AC" и "DC" обозначают "переменный ток" и "постоянный ток", соответственно. Вспомогательное напряжение представляет собой обычно постоянное напряжение, имеющее по существу постоянную амплитуду. Постоянное входное напряжение представляет собой обычно выпрямленное и буферное переменное напряжение.

Так как основной и вспомогательный индукторы магнитно изолированы, устройство, описанное выше, можно реализовать, используя недорогой основный индуктор, такой как цилиндрический индуктор с сердечником, и маленький вспомогательный индуктор, например, индуктор поверхностного монтажа. Вспомогательная схема может быть простой и энергоэффективной.

Согласно одному варианту осуществления импульсного источника питания, основные схемы и вспомогательные схемы подключены к общей земле. Вспомогательный индуктор может быть подключен, например, к потенциалу земли и к постоянному входному напряжению отрицательной полярности. Для некоторых приложений преимущественным является подключение основных схем и вспомогательных схем к общей земле, так как в иных случаях может возникнуть необходимость использования схемы сдвига уровня.

Согласно предпочтительному варианту осуществления импульсного источника питания вспомогательная схема содержит: конденсатор, подключенный к потенциалу земли, и диод, подключенный к вспомогательному индуктору и конденсатору, где вспомогательным напряжением является напряжение на конденсаторе. Диод может быть недорогим низковольтным диодом. Для того чтобы ограничить вспомогательное напряжение, параллельно конденсатору можно включить стабилитрон. Чтобы уменьшить колебания во вспомогательной схеме, демпфирующий резистор можно соединить параллельно вспомогательному индуктору.

Согласно одному варианту осуществления импульсного источника питания, индуктивным элементом является индуктор. Таким образом, индуктивный элемент может содержать одну катушку или обмотку. В альтернативном варианте осуществления индуктивным элементом является трансформатор, имеющий две магнитно-связанные катушки.

Согласно одному варианту осуществления импульсного источника питания, запускающий резистор подключен к контроллеру и к шине положительной полярности постоянного входного напряжения. Это позволяет улучшить характеристики запуска импульсного источника питания.

Согласно одному варианту осуществления импульсного источника питания, вспомогательное напряжение подключено к основной схеме. Альтернативно, вспомогательное напряжение подключено к нагрузке, расположенной за пределами основной и вспомогательной схем.

Следует отметить, что изобретение относится ко всем возможным комбинациям признаков, изложенных в формуле изобретения.

Краткое описание чертежей

Этот и другие аспекты настоящего изобретения будут теперь описаны более подробно, со ссылкой на прилагаемые чертежи, показывающие вариант(ы) осуществления изобретения. Одинаковые ссылочные позиции относятся к одинаковым элементам на протяжении всего описания.

Фиг.1 иллюстрирует принципиальную электрическую схему варианта осуществления импульсного источника питания.

Фиг.2 иллюстрирует принципиальную электрическую схему варианта осуществления импульсного источника питания, имеющего трансформатор.

Фиг.3 иллюстрирует принципиальную электрическую схему, показывающую протекание тока во время работы в варианте осуществления импульсного источника питания.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение будет описано ниже более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показаны предпочтительные в настоящее время варианты осуществления изобретения. Однако настоящее изобретение может быть воплощено во многих различных формах и не должно быть истолковано как ограниченное вариантами осуществления, изложенными в данном документе; напротив, эти варианты осуществления предназначены для обеспечения полноты и завершенности раскрытия и полной передачи объема изобретения специалистам в данной области техники.

Фиг.1 иллюстрирует принципиальную электрическую схему импульсного источника 1 питания, подключенного к источнику 2 электроэнергии, который представляет собой источник переменного тока, который обеспечивает подачу переменного входного напряжения на импульсный источник 1 питания. В качестве примера, источник 2 электроэнергии представляет собой сеть электропитания, обеспечивающую подачу переменного входного напряжения, имеющего амплитуду между 100 В и 240 В и частоту 50 Гц или rectifier 60 Гц. Источник 2 электроэнергии подключен к выпрямителю 3 обычно через фильтр 4, такой как фильтр подавления электромагнитных помех. Фильтр 4 позволяет уменьшать шумовые помехи от источника 2 электроэнергии, и тем самым обеспечить защиту чувствительным компонентам в импульсном источнике 1 питания. Выпрямитель 3 является диодным мостовым выпрямителем и, более конкретно, двухполупериодным выпрямителем типа "диодный мост". Однако однополупериодное выпрямление является применяемой альтернативой. Выпрямитель 3 имеет положительный вывод 3a и отрицательный вывод 3b, при этом разность потенциалов между выводами 3a, 3b равна постоянному входному напряжению V1. Импульсный источник питания дополнительно содержит входной конденсатор 5, который подключен к шине положительной полярности постоянного входного напряжения V1 через положительный вывод 3a и к шине отрицательной полярности постоянного входного напряжения V1 через отрицательный вывод 3b. Емкость входного конденсатора 5 может находиться, например, в диапазоне от приблизительно 1 мкФ до приблизительно 100 мкФ. Постоянное входное напряжение V1 имеет пульсации, которые сглаживаются посредством входного конденсатора 5. Согласно другому варианту осуществления импульсный источник 1 питания предназначен для подключения к источнику 2 электроэнергии, обеспечивающему подачу постоянного входного напряжения, и затем выпрямитель 3 исключен.

Импульсный источник 1 питания имеет основную схему 6, выполненную с возможностью приема постоянного входного напряжение V1 и подачи постоянного выходного напряжения V2 для питания электронных устройств, например, лампочки или компьютера. Значение выходного напряжения V2 зависит от предполагаемого применения, но обычно находится в диапазоне приблизительно от 20 В до приблизительно 140 В. Таким образом, основная схема 6 может работать как преобразователь постоянного тока в постоянный (DC/DC-преобразователь), такой как понижающий преобразователь или повышающий преобразователь. Основная схема 6 имеет контроллер 7, например, контроллер широтно-импульсной модуляции, который, подключен к положительному выводу 3a. Контроллер 7 подключен к положительному выводу 3a через запускающий резистор 8. Следовательно, запускающий резистор 8 подключен к контроллеру 7 и шине постоянного входного напряжения V1 положительной полярности. Например, сопротивление запускающего резистора 8 может находиться в диапазоне приблизительно от 100 кОм до приблизительно 1 МОм. Согласно другому варианту осуществления запускающий резистор 8 исключен.

Контроллер 7 подключен к переключающему элементу 9, причем контроллер 7 выполнен с возможностью переключения переключающего элемента 9 между проводящим состоянием и непроводящим состоянием. В данном варианте осуществления переключающим элементом 9 является транзистор. Переключающим элементом 9 может быть биполярный транзистор, такой как p-n-p транзистор или n-p-n транзистор. Переключающим элементом 9 может быть полевой транзистор, такой как МОП-транзистор. Переключающим элементом 9 может быть тиристор, запираемый тиристор (GTO) или биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) и т.д. Переключающий элемент 9 выполнен с возможностью подачи пульсирующего постоянного тока на потенциал 10 земли. Переключающий элемент 9 можно подсоединить к потенциалу 10 земли через токочувствительный резистор 11 для текущего измерения. Токочувствительный резистор 11 подсоединен к эмиттеру переключающего элемента 9 и обычно имеет сопротивление больше, чем приблизительно 100 мОм. Переключающий элемент 9 подсоединен к индуктивному элементу 12 в виде индуктора. Более точно, индуктивным элементом 12 является индуктор, содержащий одну обмотку. Индуктивный элемент 12 подсоединен к коллектору переключающего элемента 9. Индуктивность индуктивного элемента 12 может находиться, например, в диапазоне от приблизительно 200 мкГн до приблизительно 10 мГн. Индуктивный элемент 12 обеспечивает подачу постоянного выходного напряжения V2 путем накопления энергии, которая преобразуется в выходной сигнал основной схемы 6 в течение каждого цикла переключения с целью выработки выходного напряжения V2.

Основная схема 6 обычно включает в себя и другие компоненты. Согласно варианту осуществления, показанному на фиг.1, индуктивный элемент 12 подсоединен к положительному выводу 3a через выходной конденсатор 13, соединенный последовательно с индуктивным элементом 12. Постоянное выходное напряжение V2 представляет собой напряжение на выходном конденсаторе 13. Основная схема 6 выполнена с выходными выводами 24 для подключения внешней нагрузки к выходному напряжению V2. Блокировочный диод 14, который предотвращает разряд выходного конденсатора 13 через переключающий элемент 9 во время работы импульсного источника 1 питания, соединен параллельно с выходным конденсатором 13 и индуктивным элементом 12. Схема 15 обратной связи, предназначенная для контроля постоянного выходного напряжения V2, подключена к контроллеру 7. Например, схему 15 обратной связи можно выполнить с возможностью подачи сигнала в контроллер 7 в случае, если отклонение постоянного выходного напряжения V2 от опорного напряжения становится больше заданного значения. Исключение схемы 15 обратной связи является возможной альтернативой.

Импульсный источник 1 питания имеет вспомогательную схему 16, которая выполнена с возможностью подачи вспомогательного напряжения V3. Вспомогательным напряжением V3 обычно является постоянное напряжение, имеющее постоянную амплитуду или по существу постоянную амплитуду. Например, вспомогательное напряжение V3 может находиться в диапазоне от приблизительно 5 В до приблизительно 12 В. Вспомогательное напряжение V3 подается на нагрузку 17 через один или более вспомогательных выходных выводов 23. Нагрузка 17 подключена к потенциалу 10 земли, то есть к тому же самому потенциалу земли, как и основная схема 6. Однако, в общем случае, нагрузка 17 не обязательно должна быть подключена к тому же самому потенциалу земли, как и основная схема 6. Примерами обычных нагрузок 17 служат схемы управления, микропроцессоры, фотоэлектрические датчики, пассивные инфракрасные датчики или контроллеры для драйверов светоизлучающих диодов. Нагрузка 17 может быть компонентом импульсного источника 1 питания. Например, основная схема 6 может быть подключена к шине вспомогательного напряжения V3 таким образом, чтобы вспомогательное напряжение V3 возбуждало контроллер 7. Альтернативно, нагрузка 17 находится за пределами импульсного источника 1 питания, то есть нагрузка 17 образует часть схемы, которая не включена в импульсный источник 1 питания.

Вспомогательная схема 16 имеет вспомогательный индуктор 18, который подключен для приема импульсного постоянного тока, вырабатываемого переключающим элементом 9. Индуктивность вспомогательного индуктора 18 обычно гораздо меньше, чем индуктивность индуктивного элемента. Согласно некоторым вариантам осуществления, индуктивность вспомогательного индуктора 18 находится в диапазоне от приблизительно 10 мкГн до приблизительно 500 мГн. Вспомогательный индуктор 18 и индуктивный элемент 12 магнитно изолированы друг от друга, то есть вспомогательный индуктор 18 и индуктивный элемент 12 не связаны. Вспомогательный индуктор 18 подсоединен к потенциалу 10 земли и отрицательному выводу 3b таким образом, чтобы вспомогательная схема 16 и основная схема 6 были подсоединены к общему потенциалу земли.

Вспомогательная схема 16 имеет конденсатор 19, подсоединенный к потенциалу 10 земли. Вспомогательное напряжение V3 представляет собой напряжение на конденсаторе 19. Вспомогательная схема 16 также имеет диод 20, подсоединенный к вспомогательному индуктору 18 и конденсатору 19. Диод 20 может быть полупроводниковым диодом. Вспомогательная схема 16 имеет демпфирующий резистор 21, включенный параллельно вспомогательному индуктору 18. Стабилитрон 22, предназначенный для ограничения вспомогательного напряжения V3, включен параллельно конденсатору 19. Другие варианты осуществления вспомогательной схемы 16 не включают в себя демпфирующий резистор 21 и/или стабилитрон 22.

Фиг.2 иллюстрирует принципиальную электрическую схему импульсного источника 1 питания, которая аналогична импульсному источнику 1 питания, показанному на фиг.1. Однако в этом примере, индуктивным элементом 12 является трансформатор, имеющий две магнитно-связанные катушки провода.

На фиг.3 показана принципиальная электрическая схема импульсного источника 1 питания, иллюстрирующая протекание тока, показанного стрелками. Во время работы импульсного источника 1 питания, постоянное входное напряжение V1, подаваемое на входной конденсатор 5, приводит к протеканию входного тока I1 со стороны положительной полярности входного конденсатора 5 в основную схему 6, в результате чего контроллер 7 начинает переключать переключающий элемент 9 между проводящим состоянием и непроводящим состоянием. Запускающий резистор 8 может оказывать помощь в запуске контроллера 7. Переключение приводит к возникновению импульсного постоянного тока I2, протекающего из переключающего элемента 9 в потенциал 10 земли и во вспомогательный индуктор 18. Когда переключающий элемент 9 находится в проводящем состоянии, вспомогательный индуктор 18 заряжается с помощью импульсного постоянного тока I2. Переключение переключающего элемента 9 в непроводящее состояние приводит к падению амплитуды импульсного постоянного тока I2, в результате чего вырабатывается индуцированный ток I3. Индуцированный ток I3 протекает во вспомогательной схеме 16 через диод 20 в конденсатор 19 таким образом, чтобы заряжался конденсатор 19. Величина заряда, подаваемого в конденсатор 19, зависит от индуктивности вспомогательного индуктора 18, интенсивности выходного тока I2 и частоты переключения переключающего элемента 9. Диод 20 предотвращает разряд конденсатора 19 в тот момент, когда переключающий элемент 9 переключается обратно в проводящее состояние. Процесс переключения приводит к возникновению вспомогательного напряжения V3, вырабатываемого на конденсаторе 19.

Специалисту в данной области техники будет понятно, что настоящее изобретение никоим образом не ограничивается предпочтительными вариантами осуществления, описанными выше. Напротив, многие модификации и вариации возможны в пределах объема прилагаемой формулы изобретения. Например, согласно некоторым вариантам осуществления основная схема 6 и вспомогательная схема 16 не подсоединены к общему потенциалу земли. В дальнейшем может потребоваться использование схемы сдвига уровня.

Кроме того, изменения в раскрытых вариантах осуществления могут быть понятны и осуществлены специалистами в данной области техники при реализации заявленного изобретения, из изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. В пунктах формулы изобретения слово "содержащий" не исключает другие элементы или этапы, и единственное число не исключает множественность. Тот факт, что конкретные меры излагаются во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что сочетание этих мер не может быть использовано для преимущества.

Раскрыт импульсный источник (1) питания. Импульсный источник (1) питания имеет основную схему (6), выполненную с возможностью приема постоянного входного напряжения и подачи постоянного выходного напряжения. Основная схема (6) содержит: индуктивный элемент (12), вырабатывающий постоянное выходное напряжение, переключающий элемент (9), соединенный с индуктивным элементом (12), и контроллер (7), выполненный с возможностью переключения переключающего элемента (9) между проводящим состоянием и непроводящим состоянием, причем переключающий элемент (9) выполнен с возможностью подачи импульсного постоянного тока на потенциал (10) земли. Импульсный источник (1) питания также имеет вспомогательную схему (16), выполненную с возможностью подачи вспомогательного напряжения. Вспомогательная схема (16) содержит вспомогательный индуктор (18), подсоединенный для приема импульсного постоянного тока и магнитно изолированный от индуктивного элемента (12).8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Импульсный источник (1) питания, содержащий:

основную схему (6), выполненную с возможностью приема постоянного входного напряжения и подачи постоянного выходного напряжения, причем основная схема (6) содержит:

индуктивный элемент (12) для подачи постоянного выходного напряжения,

переключающий элемент (9), подключенный к индуктивному элементу (12), и

контроллер (7), выполненный с возможностью переключения переключающего элемента (9) между проводящим состоянием и непроводящим состоянием, причем переключающий элемент (9) выполнен с возможностью подачи пульсирующего постоянного тока на потенциал (10) земли; и

вспомогательную схему (16), выполненную с возможностью подачи вспомогательного напряжения, причем вспомогательная схема (16) содержит вспомогательный индуктор (18),

вспомогательный индуктор (18), подсоединенный для приема пульсирующего постоянного тока и магнитно изолированный от индуктивного элемента (12), причем вспомогательный индуктор (18) подсоединен к потенциалу (10) земли и к шине постоянного входного напряжения отрицательной полярности.

2. Импульсный источник (1) питания по п.1, в котором вспомогательная схема (16) дополнительно содержит

конденсатор (19), подключенный к потенциалу (10) земли, и

диод (20), подключенный к вспомогательному индуктору (18) и конденсатору (19),

где вспомогательным напряжением является напряжение на конденсаторе (19).

3. Импульсный источник (1) питания по п.2, в котором вспомогательное напряжение ограничивается стабилитроном (22), включенным параллельно конденсатору 19.

4. Импульсный источник (1) питания по любому из пп. 1-3, в котором вспомогательная схема (16) дополнительно содержит демпфирующий резистор (21), включенный параллельно вспомогательному индуктору (18).

5. Импульсный источник (1) питания по любому из пп. 1-3, в котором индуктивным элементом (12) является индуктор.

6. Импульсный источник (1) питания по любому из пп. 1-3, в котором индуктивным элементом (12) является трансформатор.

7. Импульсный источник (1) питания по любому из пп. 1-3, в котором запускающий резистор (8) подключен к контроллеру (7) и постоянному входному напряжению положительной полярности.

8. Импульсный источник (1) питания по любому из пп. 1-3, в котором основная схема (6) подключена к вспомогательному напряжению.

9. Импульсный источник (1) питания по любому из пп. 1-3, в котором вспомогательное напряжение выполнено с возможностью подключения к нагрузке (17), расположенной за пределами импульсного источника (1) питания.