СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ ИСТОЧНИКОМ ПИТАНИЯ СО СВЕРХНИЗКОЙ МОЩНОСТЬЮ ПОТРЕБЛЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК H02M3/335 

Схема управления со сверхнизкой мощностью потребления предназначена для создания маломощных AC-DC источников питания без вспомогательной обмотки на силовом трансформаторе. Ежегодные решения комиссии по энергосбережению Европейского парламента и Совета ужесточают требования по энергопотреблению из электросетей и регламентируют: качество потребляемой энергии, эффективность в диапазоне рабочих нагрузок от 10% до 100%, а также потребление на холостом ходу [1].

Известно устройство, описанное в патенте [2] в котором, в трансформаторе 510 (фиг 5) имеется дополнительная обмотка 513, а также диод D7 и конденсатор С4, которые позволяют питать устройство управление от пониженного напряжения чем и достигается снижение потерь в схеме управления, при этом пусковой резистор R3 не отключается. В данной схеме есть два недостатка: необходимость использования дополнительной обмотки и выпрямительных элементов, и что пусковой резистор не отключается и его номинальное значение является компромиссом между временем включения источника питания (желательно иметь малое сопротивление) и постоянной мощностью рассеивания в рабочем режиме (желательно иметь большое сопротивление).

Известно также устройство, описанное в патенте [3], в котором несмотря на иное схемотехническое решение сохранились недостатки выше приведенного устройства.

Известно также устройство, описанное в патенте [4], в котором также применена дополнительная обмотка, но при этом в схему введен ключ, позволяющий отключать пусковые цепи и тем самым снижать мощность потерь в цепях управления. Известны изделия с такой схемой управления рассеивающие менее 15 мВт [5].

Известны изделия с такой схемой управления [6]. Как правило они позволяют работать в двух режимах как это описано в патентах [7] и [8].

Наиболее близким по техническому решению является патент [7], выданный Всемирной организацией интеллектуальной собственности и его российский аналог [8], содержащий 4 независимых и 19 зависимых пунктов и 5 иллюстраций в котором в пунктах 8 и 21 защищены схемы с управления питанием от дополнительной обмотки и возможность работы без нее. Работа схемы приведена в описании, из которого ясно, что при отсутствии дополнительной обмотки питание устройства управления осуществляется через пусковой ключ S2. Недостатком такой схемы является то, что весь ток управления проходит через пусковой ключ и мощность потерь на нем составляет

где P_d мощность потерь, Р₀ - мощность в схеме управления, V_in - входное напряжение питания, V_сс - напряжение питания схемы управления и в реальных схемах мощность потерь в 50-100 превышает мощность в цепях управления, что допустимо только в маломощных источниках питания.

Технический результат предполагаемого изобретения заключается в уменьшении потерь в схеме управления источника питания.

Технический результат достигается тем, что в схему введен повышающий преобразователь напряжения, преобразующий рабочее питание схемы в повышенное напряжение, а питание драйвера выходного транзистора подключено к рабочему питанию схемы и повышенному напряжению через мультиплексор, управляемый компаратором, который контролирует рабочее питание схемы и управляет внутренним транзистором, который включен между истоком силового транзистора и общим проводом, к общей точке транзисторов присоединен анод диода, катод которого присоединен к шине рабочего питания схемы.

Реализация схемы управления AC-DC источником питания со сверхнизкой мощностью потребления содержащий, узел питания схемы с узлом начального запуска, обеспечивающий рабочее питание схемы, источник опорного напряжения, контроллер, реализующий тот или иной алгоритм управления источником питания, приемник сигнала обратной связи, драйвер выходного транзистора к которому присоединяется внешний выходной силовой транзистор, а также повышающий преобразователь напряжения, преобразующий рабочее питание схемы в повышенное напряжение, питание драйвера выходного транзистора подключено к рабочему питанию схемы и повышенному напряжению через мультиплексор, управляемый компаратором, который контролирует рабочее питание схемы и управляет внутренним транзистором, который включен между истоком внешнего выходного силового транзистора и общим проводом, к общей точке транзисторов присоединен анод диода, катод которого присоединен к шине рабочего питания схемы, позволяет исключить из схемы дополнительную обмотку силового трансформатора и систему питания схемы управления связанной с ней, что существенно упрощает и удешевляет схему источника питания.

Пример реализации схемы источника питания показан на фигуре 1. Схема содержит: схему управления выполненная по данному изобретению (1) с двумя конденсаторами фильтров С1 и С2, узел обратной связи с гальванической развязкой (2), силовой трансформатор TR1, внешний высоковольтный транзистор VT1 и выходной выпрямитель с фильтром VD1 и С4.

Схема принципиально должна быть одним из вариантов обратноходового преобразователя, а котором в первом такте, при открытом транзисторе VT1, в трансформаторе накапливается энергия

где =Lt и It индуктивность и ток трансформатора соответственно, а во втором такте энергия передается в конденсатор фильтра С4 и далее в нагрузку.

На фигуре 2 приведена структурная схема устройства управления. Схема содержит: (1) - микросхема устройства управления, в которую входят - пусковой блок (5), схема контроля напряжения питания (14), внешний накопительный конденсатор (16), источник опорного напряжения (13), узел обратной связи FB (17), контроллер источника питания (7), компаратор (12), внутренний транзистор (11), внутренний диод (10), драйвер внешнего выходного силового транзистора (8), повышающий преобразователь напряжения (4) и мультиплексор (6), к микросхеме присоединены внешние конденсаторы (15) и (16) и внешний выходной силовой транзистор (9).

Схема работает следующим образом:

Старт схемы: при включении входное напряжение Vin поступает на пусковой блок StUp (5) и начинает заряжаться внешний конденсатор С1 питания схемы управления Vcc1. При достижении напряжения величины 2,5-3 В, схема контроля напряжения питания включает повышающий преобразователь напряжения выполненный, например, на внутренних переключаемых конденсаторах, и на конденсаторе С2 появляется повышенное напряжение Vcc2. При достижении напряжения Vcc1 величины 6 В отключается питание Vin и схема управления переходит в рабочий режим.

Рабочий режим: рабочий режим схемы управления обеспечивается контроллером источника питания PowerControl (7) совместно с узлом обратной связи FB (17), реализующих тот или иной алгоритм управления источником питания, например, ШИМ. Для реализации сверхнизкой мощности потребления схемой управления и обеспечения стабильного питания Vcc1 в схему введен компаратор Cmp (12), контролирующий напряжение питания схемы управления и при понижении величины Vcc1 ниже 5,7 В он закрывает транзистор VT2 (11) и переключает напряжение питания драйвера выходного транзистора VT1 (8) с помощью мультиплексора MX (6) на повышенное напряжение Vcc2. Через диод VD2 (10) начинает заряжаться внешний конденсатор С1 и при Vcc=6 B схема возвращается в исходное состояние. Индуктивное сопротивление первичной обмотки трансформатора ограничивает ток заряда конденсатора С1, а энергия, накопленная в трансформаторе, передается в нагрузку.

Баланс мощности: определим соотношение энергий, переданных в конденсатор С1 и в нагрузку за время одного импульса длительностью Ти. Энергия в конденсаторе E_C

Где Vin/Lt скорость нарастания тока в трансформаторе,

Энергия в трансформаторе.

Отношение энергий определяется по формуле

Т.е. соотношение такое же в формуле 1), за исключением того, что энергия трансформатора не превращается в бесполезное тепло, а переходит в нагрузку, тем самым повышая КПД маломощных источников питания.

При типовой мощности в схеме управления на уровне 4-6 мВт, минимальная нагрузка должна составлять не менее 300 мВт.

Данная схема управления рекомендуется для использования в маломощных источниках питания, установленных в устройства, которые в силу своих особенностей потребляют в дежурном/рабочем режиме не менее 300 мВт, например, системы управления микроклиматом с обширным количеством всевозможных микропотребляющих датчиков.

Литература

1) Official Journal of the European Union COMMISSION REGULATION (EU) 2019/1782 of 1 October 2019».

2) Патент US 2020/0287454.

3) Патент US 9.705,408.

4) Патент US 9,712,045.

5) Data Sheet «Off-Line PWM Controllers with Integrated Power MOSFET STR6A100xV/xVD Series».

6) Описание микросхемы «Green Mode Power Switch FSL206MR» www.onsemi.com

7) WO 2009/146141 A1 от 29 May 2008 «Primary side control circuit and method for ultra-low idle power operation))

8) RU 2456736 C1.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к схемам управления со сверхнизкой мощностью потребления и предназначено для создания маломощных AC-DC источников питания без вспомогательной обмотки на силовом трансформаторе. Технический результат предлагаемого изобретения заключается в уменьшении потерь в схеме управления источника питания, что повышение КПД маломощных источников питания. Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое техническое решение, достигается тем, что в схему введен повышающий преобразователь напряжения, преобразующий рабочее питание схемы в повышенное напряжение. Питание драйвера выходного транзистора подключено к рабочему питанию схемы и повышенному напряжению через мультиплексор, управляемый компаратором. Компаратор контролирует рабочее питание схемы и управляет внутренним транзистором, который включен между истоком силового транзистора и общим проводом. К общей точке транзисторов присоединен анод диода, катод которого присоединен к шине рабочего питания схемы. 1 з.п. ф-ы, 2 ил.

1. Схема управления AC-DC источником питания со сверхнизкой мощностью потребления, содержащая узел питания схемы с узлом начального запуска, обеспечивающий рабочее питание схемы, источник опорного напряжения, контроллер, реализующий алгоритм управления источником питания, приемник сигнала обратной связи, драйвер внешнего выходного транзистора, к которому присоединяется внешний выходной силовой транзистор, отличающаяся тем, что в схему введен повышающий преобразователь напряжения, преобразующий рабочее питание схемы в повышенное напряжение, питание драйвера внешнего выходного силового транзистора подключено к рабочему питанию схемы и повышенному напряжению через мультиплексор, управляемый компаратором, который контролирует рабочее питание схемы и управляет внутренним транзистором, который включен между истоком внешнего выходного силового транзистора и общим проводом, к общей точке транзисторов присоединен анод диода, катод которого присоединен к шине рабочего питания схемы.

2. Схема управления AC-DC источником питания по п. 1, отличающаяся тем, что выходной силовой транзистор конструктивно введен в состав схемы.