Способ и устройство коммутации напряжения питания Российский патент 2022 года по МПК H03K17/693 

Область техники

Способ коммутации напряжения питания и устройство коммутатор напряжения питания относятся к области электронной техники и могут быть использованы в схемах, где требуется коммутация напряжения на нагрузку с гальванической развязкой общего первичного источника питания от двух выходных шин устройства в выключенном состоянии. Кроме того, способ и комплект из двух данных устройств могут быть использованы в резервированных системах управления, например, космическими аппаратами, где требуется обеспечение функционирования хотя бы одного резерва системы с холодным резервированием при допустимости отказа любого одного элемента в тракте какого-либо резерва.

Уровень техники

Известен коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току [1]. В рамках рассмотрения его части в качестве аналога согласно цели и объема решаемых задач предлагаемым техническим решением коммутатор напряжения содержит вход включения коммутатора напряжения, вход выключения коммутатора напряжения, триггер, электронный ключ, блок нагрузки, две шины напряжения питания. Способ коммутации напряжения на нагрузке при этом заключается в том, что для включения устройства импульсный сигнал включения преобразуют в сигнал постоянного уровня с помощью RS триггера. Этим сигналом постоянного уровня открывают электронный ключ, который устанавливают между одной входной шиной питания и блоком нагрузки. Другой вывод блока нагрузки соединяют с другой входной шиной питания. Для выключения устройства импульсным сигналом выключения устанавливают RS триггер в исходное состояние, которое обеспечивает выключенное состояние коммутатора.

Коммутатор напряжения обеспечивает подключение блока нагрузки по импульсным сигналам на входах включения и выключения коммутатора напряжения.

Недостатки способа и устройства - коммутатор напряжения состоят в том, что они не обеспечивают полную гальваническую развязку блока нагрузки от шин напряжения питания при поступлении импульсного сигнала на вход выключения коммутатора напряжения. Другим недостатком этого коммутатора является низкая надежность вследствие потери работоспособности при отказе любого элемента коммутатора напряжения. Кроме того, для обеспечения работоспособности коммутатора напряжения необходим, например, дополнительный источник питания элементов управления электронным ключом, или элементы управления постоянно подключены к первичному источнику питания, что также является недостатком способа и устройства.

Прототип

Из известных аналогов наиболее близкими по технической сущности являются способ коммутации напряжения питания и устройство для его осуществления, представленные в патенте [2]. Оптоэлектронное реле питания резервированных систем, содержит шину включения, две шины выключения, первый общий вывод сигнала выключения, второй общий вывод сигнала выключения, формирователь тока, схему соединения оптронов, четыре оптрона, последовательно соединенные первую входную шину, цепь коммутации первого оптрона, цепь коммутации второго оптрона, первую выходную шину, а также последовательно соединенные вторую входную шину, цепь коммутации третьего оптрона, цепь коммутации четвертого оптрона, вторую выходную шину, причем аноды и катоды светодиодов каждого оптрона соединены с соответствующими входами схемы соединения оптронов, выход формирователя тока соединен с токовым входом схемы соединения оптронов, а также устройство содержит два ключа, аналоговое ИЛИ, причем шина включения соединена с первым входом аналогового ИЛИ, второй вход которого соединен с первой выходной шиной, первый и второй ключи включены параллельно, вход управления первого ключа соединен с первой шиной выключения, вход управления второго ключа соединен со второй шиной выключения, формирователь тока включен между токовым входом схемы соединения оптронов и выходом аналогового ИЛИ, токовый выход схемы соединения оптронов соединен со второй выходной шиной, первый общий вывод сигнала выключения при исполнении ключей на транзисторах соединен с точкой соединения первого ключа и второй выходной шиной, второй общий вывод сигнала выключения соединен с точкой соединения второго ключа и второй выходной шиной, а при исполнении ключей на оптронах первый общий вывод сигнала выключения соединен с другим входом управления первого ключа, второй общий вывод сигнала выключения соединен с другим входом управления второго ключа.

Способ коммутации напряжения (на нагрузке) прототипа заключается в том, что в каждой силовой шине напряжения питания устанавливают последовательно пару силовых ключей (цепи коммутации оптронов), для включения устройства подают импульсный сигнал (ток) на вход управления (светодиод оптрона) каждого силового ключа, далее на эти входы подают сигналы постоянного уровня (ток), для выключения устройства блокируют сигналы постоянного уровня, блокировку осуществляют по двум дублированным цепям, сигналы постоянного уровня представлены в виде тока I=(U_вых-U_4св)/R, который вырабатывают формирователем тока из выходного напряжения U_вых устройства с учетом падения напряжения U_4св на светодиодах оптронов и сопротивления R формирователя тока, импульсный сигнал включения также формируют в виде тока с амплитудой I_имп≈I.

В приведенном выше описании способа прототипа использована расширенная трактовка его терминов для их идентичности с терминологией заявляемых устройства и способа, которая не нарушает принципа действия устройства:

- цепи коммутации оптронов заменены на силовые ключи,

- ток заменен на сигнал постоянного уровня (в режиме поддержания U_вых),

- ток заменен на импульсный сигнал (в режиме включения коммутатора).

Преимуществом способа и устройства является отсутствие в необходимости дополнительного источника питания, повышенная надежность, полное отключение от источника входного напряжения в режиме выключения каждой входной шины.

Надежность выключения оптоэлектронного реле питания резервированных систем при одном любом отказе обеспечивается как параллельным включением первого и второго ключей (слаботочных) с соответствующими дублированными цепями их управления по первой и второй шинам выключения, так и тем, что в каждой силовой шине напряжения питания устанавливают последовательно пару силовых ключей.

Надежность обеспечения напряжением питания хотя бы одного резерва системы нагрузки (при двух комплектах устройства) при одном любом отказе в каком-либо одном резерве комплекта оптоэлектронного реле питания резервированных систем обеспечивается совместно с системой управления объекта резервирования, формирующей сигнал по шине включения того или иного исправного резерва устройства. Таким образом, комплект из двух устройств оптоэлектронного реле питания резервированных систем обеспечивает функционирование нагрузки как минимум при одном отказе в любом резерве (совместно с системой управления).

Недостаток способа и устройства заключаются в низкой технологичности, следующей из принципа действия оптрона - управление его силовой цепью световым потоком. Соответственно невозможно обеспечить изготовление малогабаритного варианта устройства, например, в виде микросборки вследствие проблем изоляции световых потоков оптронов с их исполнением в бескорпусных кристаллах. Применение же в микросборке корпусных оптронов приводит к отсутствию эффективности ее массогабаритных параметров.

В случае силового исполнения коммутатора напряжения питания и соответственно, например, электронного блока его нагрузки номенклатура силовых элементов этих изделий содержит как оптрон коммутатора напряжения питания, так и более распространенный силовой элемент - КМОП транзистор электронного блока нагрузки. Таким образом имеем разнородную по физике функционирования номенклатуру комплектующих. Что также приводит к снижению технологичности.

Другой недостаток технологичности заключается в проблемах (или невозможности) использования оптронов в технике специального применения: «… оптоэлектронным устройствам присущи недостатки, обусловленные низкой стойкостью элементов к воздействию ионизирующего излучения, что ограничивает их использование в радиационно стойкой аппаратуре …» [3]. Кроме того, из статьи [4] ОАО Волховского завода полупроводниковых приборов известна долговременная нестабильность параметров оптопар: «… проблемы оптопар как деградация излучательной способности светодиодов и поляризация компаундов, приводящая к утечкам фотоприемника до сих пор не решены …». Это обуславливает низкую надежность оптопар в долговременной перспективе и особенно в условиях воздействия повышенных температур и высокого уровня радиационного фона.

Цель изобретения

Целью изобретения является повышение технологичности. Поставленная цель в заявляемом способе достигается тем, что в одной шине напряжения питания в качестве силовых ключей используют КМОП транзисторы одного типа проводимости, в другой шине напряжения питания в качестве силовых ключей используют КМОП транзисторы другого типа проводимости, импульсы электрических сигналов включения и электрические сигналы постоянного уровня вырабатывают источниками напряжений, при этом формируют положительную полярность напряжения одного импульса электрических сигналов включения, из которого формируют импульсы напряжений U_зи между затвором и истоком каждого КМОП транзистора в одной шине напряжения питания и отрицательную полярность напряжения импульса электрического сигнала включения другого источника, из которого формируют импульсы напряжений U_зи между затвором и истоком каждого КМОП транзистора в другой шине напряжения питания, величину напряжений U_зи устанавливают достаточной для создания открытого состояния перехода сток-исток КМОП транзисторов, напряжения U_const электрических сигналов постоянного уровня вырабатывают умножением выходного напряжения коммутатора напряжения питания, полярность и уровень двух напряжений U_const вырабатывают в соответствии с полярностью и уровнем напряжений U_зи для КМОП транзисторов в шинах напряжения питания.

Поставленная цель в заявляемом устройстве достигается тем, что в него введены второй блок диодов, четыре резистора, блок умножения напряжения, вторая шина включения, в первой шине напряжения питания в качестве силовых ключей используют КМОП транзисторы одного типа проводимости, в другой шине напряжения питания в качестве силовых ключей используют КМОП транзисторы другого типа проводимости, два выхода первого блока диодов соединены соответственно с затворами первого и второго КМОП транзисторов, между затвором и истоком которых включены соответственно первый и второй резисторы, второй вход первого блока диодов соединен с первым выходом блока умножения выходного напряжения, плюсовой и минусовой выводы питания блока умножения напряжения соединены соответственно с выходными шинами, два выхода второго блока диодов соединены соответственно с затворами третьего и четвертого КМОП транзисторов, между затвором и истоком которых включены соответственно третий и четвертый резисторы, первый вход второго блока диодов соединен со второй шиной включения, второй вход второго блока диодов соединен с вторым выходом блока умножения выходного напряжения.

Сущность изобретения

Устройство иллюстрируется фиг. 1 - схема одного варианта коммутатора напряжения питания, фиг. 2 - варианты «А», «Б» исполнения ключа К₊, фиг. 3 - схема другого варианта коммутатора напряжения питания (с отдельными источниками сигналов выключения). На фиг. 1 коммутатор напряжения питания содержит последовательно соединенные плюсовую входную шину 1, силовую цепь КМОП транзистора 2 n - типа, силовую цепь КМОП транзистора 3 n - типа, плюсовую выходную шину 4. Между затвором и истоком КМОП транзистора 2 и КМОП транзистора 3 включены соответственно резисторы 5 и 6. Минусовая входная шина 7 последовательно соединена с силовой цепью КМОП транзистора 8 p - типа, силовой цепью КМОП транзистора 9 p - типа, минусовой выходной шиной 10, между затвором и истоком КМОП транзистора 8 и КМОП транзистора 9 включены соответственно резисторы 11 и 12. Затворы КМОП транзисторов 2 и КМОП транзистора 3 соединены соответственно с первым и вторым выходами (диодных ИЛИ) блока диодов 13. Затворы КМОП транзисторов 8 и КМОП транзистора 9 соединены соответственно с первым и вторым выходами (диодных ИЛИ) блока диодов 14. Первые входы блоков диодов 13 и 14 соединены соответственно с первым и вторым входами выключения блока 15 умножения напряжения, выходы положительного и отрицательного напряжений которого соединены соответственно со вторыми входами блоков диодов 13 и 14. Один источник 16 сигналов управления включен между плюсовой выходной шиной 4 и первой шиной управления 17, которая соединена также с первым входом блока диодов 13. Второй источник 18 сигналов управления включен между минусовой выходной шиной 10 и второй шиной управления 19, которая соединена также с первым входом блока диодов 14. Плюсовой и минусовой выводы питания блока 15 умножения напряжения соединены соответственно с плюсовой и минусовой выходными шинами 4 и 10.

В приведенном выше описании коммутатора напряжения питания использована расширенная трактовка его терминов, которая использована в отличительной части п. 2 формулы и является по физической сущности идентичной с ниже приведенной терминологией устройства-прототипа:

- цепь коммутации оптрона заменена на силовой ключ,

- аналоговое ИЛИ заменено на блок диодов.

Блок диодов 13 содержит два диодных элемента ИЛИ для положительных напряжений на его первом и втором входах относительно плюсовой выходной шины 4. Затворы КМОП транзисторов 2 и 3 n - типа развязаны соответствующими первым и вторым диодными элементами ИЛИ блока диодов 13.

Блок диодов 14 содержит два диодных элемента ИЛИ для отрицательных напряжений на его первом и втором входах относительно минусовой выходной шины 10. Затворы КМОП транзисторов 8 и 9 p - типа развязаны соответствующими первым и вторым диодными элементами ИЛИ блока диодов 14.

В простейшем случае первый и второй источники 16 и 18 сигналов управления могут представлять идентичные вторичные обмотки импульсного трансформатора, на первичную обмотку которого поступает первичный импульсный сигнал управления коммутатором напряжения. Для резервированного варианта первый и второй источники 16 и 18 сигналов управления могут представлять вторичные обмотки двух импульсных трансформаторов формирующих синхронные во времени импульсы управления.

Блок 15 умножения напряжения может иметь множество схемотехнических решений. Например, на основе удвоителя напряжения Латура-Делона-Гренашера или на основе генератора Ройера и т.д. При этом также возможно множество схемотехнических решений выключения коммутатора напряжения питания. Например, путем включения ключей К₊ и К_- блока 15 умножения напряжения, установленных в цепях его питания, или генератора G, или как указано на фиг. 1, фиг. 3 и так далее. Упрощенная схемотехника внутренней структуры блока 15 умножения напряжения на фиг. 1, фиг. 3 отображает частные случаи вариантов алгоритмов его функционирования.

Для надежного выключения коммутатора напряжения питания с емкостной нагрузкой на фиг. 2 приведены варианты исполнения ключа К₊ с использованием КМОП транзистора - фиг. 2А и биполярного транзистора - фиг. 2Б, которые обеспечивают расширение импульса выключения. Также возможно исполнение ключа К₊ с противоположным включением диода для транзисторов ключей иного типа (см. таблицу 1). Аналогично возможно исполнение ключей К_- с соответствующей полярностью диодов.

На фиг. 3 (в отличие от фиг. 1) введены источники 20 и 21 сигналов выключения. Источник 20 сигнала выключения включен между одним входом выключения блока 15 умножения напряжения и плюсовой выходной шиной 4. Источник 21 сигнала выключения включен между другим входом выключения блока 15 умножения напряжения и минусовой выходной шиной 10. При этом входы выключения блока 15 умножения напряжения не имеют связи как с первой, так и со второй шинами управления 17 и 19, имеющих место на фиг. 1. Источники 20 и 21 сигналов выключения представляют дублирующие цепи выключения блока 15 умножения напряжения. Например, это выходные обмотки двух трансформаторов.

Работа коммутатора напряжения питания в режиме включения по фиг. 1, фиг. 3 осуществляется следующим образом. Исходное состояние КМОП транзисторов 2, 3 и 8, 9 а также ключей К₊ и К_- блока 15 умножения напряжения закрытое. При формировании импульсов включения источниками 16 и 18 сигналов управления на первой шине 17 управления формируется импульс положительной полярности относительно плюсовой выходной шины 4 и на второй шине 18 управления - импульс отрицательной полярности относительно минусовой выходной шины 10 (см. таблицу 1). Состояние ключей К₊ и К_- блока 15 умножения напряжения при действии импульсов включения не меняется.

При этом в процессе включения через первые входы элементов ИЛИ (для сигналов положительной полярности) блока диодов 13 осуществляется заряд емкостей затворов КМОП транзисторов 2, 3. Через первые входы элементов ИЛИ (для сигналов отрицательной полярности) блока диодов 14 осуществляется заряд емкостей затворов КМОП транзисторов 8, 9. Ограничение тока заряда емкости затвора КМОП транзисторов 2, 3, 8, 9 осуществляется, например, за счет внутреннего сопротивления 10÷20 Ом источников 16, 18 или путем установки ограничительных резисторов по выходам элементов ИЛИ в блоках диодов 13 и 14 (на фиг. 1 указано пунктиром). Амплитуда напряжения импульсов должна соответствовать требованиям технических характеристик КМОП транзисторов 2, 3, 8, 9. Соответственно силовые цепи КМОП транзисторов 2, 3, 8, 9 открываются и на выходных шинах 4 и 10 коммутатора напряжения питания появляется напряжение практически равное U_вых=U_вх. Для надежного включения коммутатора напряжения питания с емкостной составляющей нагрузки длительность импульсов включения должна быть не менее времени установления напряжения U_вых. При необходимости, действие импульсов включения недостаточной длительности источников 16 и 18 сигналов управления может быть расширено подключением конденсаторов параллельно входной емкости С_зи КМОП транзисторов 2, 3 и 8, 9 (на фиг. 1, 3 не показано). Через обозначенные выше резисторы 10÷20 Ом осуществляется быстрый заряд подключенных конденсаторов и входных емкостей С_зи КМОП транзисторов 2, 3 и 8, 9 и медленный их разряд через резисторы 5, 6, 11, 12 с величиной R_5,6,11,12>>10÷20 Ом по окончании импульсов включения.

В некоторый момент времени установления напряжения U_вых начинает функционировать генератор G (например, импульсный со скважностью Q=2) блока 15 умножения напряжения и соответственно формироваться его выходные напряжения 2U*_вых и -U*_вых (относительно минусовой выходной шины 10). Работа умножителей напряжения подробно описана, например, в работах [5, 6]. Резистор R₁₃ блока 15 умножения напряжения представляет с резисторами 5 и 6 делители напряжения 2U*_вых. Резистор R₁₄ блока 15 умножения напряжения представляет с резисторами 11 и 12 делители напряжения -U*_вых. Они предназначены для ограничения тока разряда (при выключении коммутатора) ключами К₊ и К_- соответствующих емкостей блока 15 умножения напряжения и для обеспечения требуемого уровня напряжения U_зи между затвором и истоком КМОП транзисторов 2, 3, 8, 9. В зависимости от величины U_вх и допустимых значений напряжения U_зи между затвором и истоком КМОП транзисторов 2, 3, 8, 9 величину резисторов R₁₃ и R₁₄ блока 15 умножения напряжения определяют расчетным путем или подбором на этапе регулировки.

Таким образом, по окончании импульсов включения на выходах элементов ИЛИ блоков диодов 13 и 14 сформированы постоянные напряжения с уровнем U_змах>U_зи>U_пор, где U_змах - величина предельно допустимого напряжения между затвором и истоком, U_пор - наибольшее пороговое значение напряжения между затвором и истоком КМОП транзисторов 2, 3, 8, 9. Соответственно КМОП транзисторы 2, 3, 8, 9 по окончании импульсов включения остаются открытыми. Данное открытое состояние КМОП транзисторов 2, 3, 8, 9 поддерживается формированием напряжений 2U*_вых и -U*_вых блоком 15 умножения напряжения U_вых до поступления импульсов выключения.

Выключение коммутатора напряжения по варианту, приведенному на фиг. 1 осуществляется следующим образом. Источниками 16 и 18 сигналов управления формируются импульсные сигналы выключения противоположной полярности относительно сигналов включения: на первой шине 17 управления формируется импульс отрицательной полярности относительно плюсовой выходной шины 4 и на второй шине 19 управления -импульс положительной полярности относительно минусовой выходной шины 10 (см. таблицу 1). При этом ключи К₊ и К_- блока 15 умножения напряжения открываются, шунтируя напряжения -U*_вых и 2U*_вых на соответствующие выходные шины 10 и 4. На первом и втором выходах (диодных ИЛИ) блоков диодов 13 и 14 и соответственно на затворах КМОП транзисторов 2, 3, 8, 9 напряжение U_зи → 0, КМОП транзисторы 2, 3, 8, 9 закрываются и U_вых → 0. Генератор G обесточивается и далее сохраняется состояние U_вых=0. Для надежного выключения коммутатора напряжения питания с емкостной составляющей нагрузки длительность τ_выкл импульсов выключения должна быть не менее времени τ_сп спада напряжения U_вых. При τ_выкл<τ_сп следует использовать исполнение ключей К₊ и К_- блока 15 умножения напряжения по фиг. 2 (или аналогично согласно таблице 1).

Выключение коммутатора напряжения по варианту, приведенному на фиг. 3 осуществляется следующим образом. Источниками 20 и 21 сигналов выключения синхронно формируются импульсы согласно таблице 1. При этом ключи К₊ и К_- блока 15 умножения напряжения открываются, шунтируя напряжения 2U*_вых и -U*_вых на соответствующие выходные шины 4 и 10. На первом и втором выходах (диодных ИЛИ) блоков диодов 13 и 14 и соответственно на затворах КМОП транзисторов 2, 3, 8, 9 напряжение U_зи → 0, КМОП транзисторы 2, 3, 8, 9 закрываются. Генератор G обесточивается и далее сохраняется состояние отсутствия U_вых. Требования по исполнению ключей К₊ и К_- в зависимости от τ_выкл и τ_сп аналогичны описанным выше для фиг. 1.

Выключение устройства по фиг. 3 в аварийном режиме (одна неисправность цепей выключения) осуществляется формированием импульса по крайней мере источником 20 или 21 сигнала выключения с полярностью согласно таблице 1. При этом аналогично выключению в штатном режиме напряжение U_зи → 0 пары КМОП транзисторов 2, 3 или 8, 9 и эта пара КМОП транзисторов закрывается, обесточивается блок 15 умножения напряжения, вследствие чего затем закрывается и другая пара КМОП транзисторов. Аналогично в аварийном режиме (одна неисправность цепей выключения) осуществляется выключение коммутатора напряжения питания по фиг. 1 формированием импульсного сигнала управления (выключения) по крайней мере источником 16 или 18.

Таким образом, один отказ в любой цепи выключения не отразится на способности отключения выходных шин 4 и 10 от входных шин 1 и 7. Один отказ в любой цепи коммутации какого-либо КМОП транзистора 2, 3, 8, 9 не отразится на способности отключения выходных шин 4 и 10 от входных шин 1 и 7 вследствие выключения другого (исправного) КМОП транзистора в цепи их последовательного соединения.

Надежность обеспечения напряжением питания хотя бы одного резерва системы нагрузки, получающей напряжение питания от комплекта из двух данных устройств при одном любом отказе в коммутаторе напряжения питания какого-либо резерва системы нагрузки обеспечивается совместно с системой управления объекта резервирования, формирующей сигнал [2] по шинам включения 17 и 19 того или иного коммутатора напряжения питания. При отказе включения коммутатора напряжения питания одного резерва системы (или соответствующего резерва его нагрузки) в систему управления объекта резервирования поступает информация об отказе данного резерва. При этом система управления объекта резервирования вырабатывает сигнал выключения каждого коммутатора напряжения питания. Затем система управления объекта резервирования вырабатывает сигнал включения другого (исправного) коммутатора напряжения питания резервированных систем [2]. Таким образом, два коммутаторов напряжения питания резервированных систем обеспечивают функционирование системы нагрузки как минимум при одном отказе в любом резерве.

Технический результат

Техническим результатом является повышение технологичности, которое заключается в расширении функциональных возможностей, обеспечивающих изготовление устройства с использованием бескорпусной элементной базы силовых ключей в виде кристаллов. Это позволяет изготавливать малогабаритный вариант коммутатора напряжения питания, например, в виде микросборки.

Другой положительный эффект устройства заключается в подключении к входным шинам коммутатора напряжения питания только коммутируемых выводов силовой цепи КМОП транзисторов со связями управляющих цепей силовых КМОП транзисторов со стороны выходных шин коммутатора напряжения питания. Такая структура обладает повышенной надежностью. В случае отказа (короткое замыкание) какого-либо элемента в выключенном режиме в любом случае сохраняется требование заказчика по отсутствию гальванических связей как между входными шинами, так и между входной и выходной шинами цепей любой полярности.

Также в условиях специального применения [3] расширяется номенклатура выбора силовой элементной базы (КМОП транзистор вместо оптопары) и обеспечивается повышенная надежность коммутатора напряжения питания в долговременной перспективе [4] и особенно в условиях воздействия повышенных температур и высокого уровня радиационного фона.

Источники информации

1. Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току. Патент RU 2208292, МПК Н03К 17/08, 2003 г.

2. Оптоэлектронное реле питания резервированных систем. Патент RU 2746556, МПК Н03К 17/08, 2020 г.

3. Лебединская А.Е. и др. Радиационно стойкая оптоэлектронная пара для вторичных источников питания // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. Москва, выпуск 1(256), 2020 г., С. 40-48.

4. Цифровой изолятор или оптопара? http://aobzpp.ru/stati/#izolyator_optopara

5. Описание схемы мощного удвоителя постоянного напряжения. https://zen.yandex.ru/media/asutpp.ru/opisanie-shemy-moscnogo-udvoitelia-postoiannogo-napriajeniia-5d78f75dd4f07a00c558582d

6. Dc-Dc преобразователь. Устройство и принцип работы основных схем. https://powercoup.by/radioelektronika/dc-dc-preobrazovatel

Способ коммутации напряжения питания и устройство - коммутатор напряжения питания - относятся к области электронной техники и могут быть использованы в схемах, где требуется коммутация напряжения на нагрузку с гальванической развязкой общего первичного источника питания от двух выходных шин устройства в выключенном состоянии. Кроме того, способ и комплект из двух данных устройств могут быть использованы в резервированных системах управления, например, космическими аппаратами, где требуется обеспечение функционирования хотя бы одного резерва системы с холодным резервированием при допустимости отказа любого одного элемента в тракте какого-либо резерва. Техническим результатом является повышение технологичности, которое позволяет изготавливать коммутатор напряжения питания минимизированной конфигурации в виде микросборки. Также облегчается выбор силовых ключей для изделия с повышенной радиационной стойкостью. Кроме того, в условиях специального применения обеспечивается повышенная надежность в долговременной перспективе и особенно в условиях воздействия повышенных температур и высокого уровня радиационного фона. Технический результат обеспечивается использованием в качестве силовых ключей пары КМОП транзисторов одного типа проводимости в одной шине напряжения питания и во второй шине напряжения питания - пары КМОП транзисторов другого типа проводимости. При этом обе пары КМОП транзисторов включаются импульсным сигналом, открытое состояние пар КМОП транзисторов поддерживается напряжениями блока умножения выходного напряжения коммутатора напряжения питания. Выключение осуществляется путем подачи импульсных сигналов, запрещающих функционирование блока умножения напряжения, вследствие чего закрываются все КМОП транзисторы. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Способ коммутации напряжения питания, состоящий в том, что в каждой шине напряжения питания устанавливают силовой ключ, для включения устройства, используя энергию источника пускового импульса, формируют электрический импульс на входе управления каждого силового ключа, далее на эти входы подают электрические сигналы постоянного уровня, которые формируют, используя энергию с выхода коммутатора напряжения питания, для выключения устройства отключают электрические сигналы постоянного уровня, отличающийся тем, что с целью повышения технологичности в одной шине напряжения питания в качестве силового ключа используют силовую цепь КМОП транзистора одного типа проводимости, в другой шине напряжения питания в качестве силового ключа используют силовую цепь КМОП транзистора другого типа проводимости, пусковой импульс формируют в виде напряжения U_зи одной полярности между затвором и истоком КМОП транзистора в одной шине напряжения питания, и пусковой импульс формируют в виде напряжения U_зи другой полярности между затвором и истоком КМОП транзистора в другой шине напряжения питания, электрические сигналы постоянного уровня вырабатывают в виде двух напряжений U_const умножением выходного напряжения коммутатора напряжения питания, полярность и уровень напряжений U_const для КМОП транзисторов в одной и другой шинах напряжения питания вырабатывают в соответствии с полярностью и уровнем напряжений U_зи пускового импульса напряжений в этих шинах напряжения питания.

2. Коммутатор напряжения питания, содержащий последовательно соединенные первую входную шину напряжения питания, цепь коммутации первого силового ключа, цепь коммутации второго силового ключа, первую выходную шину, последовательно соединенные вторую входную шину напряжения питания, цепь коммутации третьего силового ключа, цепь коммутации четвертого силового ключа, вторую выходную шину, шину включения, соединенную с первым входом блока диодов, отличающийся тем, что с целью повышения технологичности в него введены второй блок диодов, четыре резистора, блок умножения напряжения, вторую шину включения, в первой шине напряжения питания в качестве силовых ключей используют КМОП транзисторы одного типа проводимости, в другой шине напряжения питания в качестве силовых ключей используют КМОП транзисторы другого типа проводимости, два выхода первого блока диодов соединены соответственно с затворами первого и второго КМОП транзисторов, между затвором и истоком которых включены соответственно первый и второй резисторы, второй вход первого блока диодов соединен с первым выходом блока умножения выходного напряжения, плюсовой и минусовой выводы питания блока умножения напряжения соединены соответственно с выходными шинами, два выхода второго блока диодов соединены соответственно с затворами третьего и четвертого КМОП транзисторов, между затвором и истоком которых включены соответственно третий и четвертый резисторы, первый вход второго блока диодов соединен со второй шиной включения, второй вход второго блока диодов соединен со вторым выходом блока умножения выходного напряжения.

3. Коммутатор напряжения питания по п. 2, отличающийся тем, что введены две шины выключения, соединенные соответственно с первым и вторым входами выключения блока умножения выходного напряжения.