Импульсный стабилизатор постоянного напряжения Советский патент 1983 года по МПК G05F1/56 

Изобретение относится к электро.технике и может быть .использовано в блоках питания радиоаппаратуры, ЭВМ, устройств автоматики и других объектов .

Известны импульсные стабилизаторы постоянного напряжения Г}. .

Недостатком этих стабилизаторовявляется относительно низкий КПД при скачкообразном повышении тока нагрузки.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является импульсный стабилизатор постоянного напряжения, содержащий между своим входом и выходом первый ключ с низкочастотным интегрирующим фильтром и соединенный параллельно с ним второй ключ с высокочастотным интегрирующим фильтром, а также усилитель обратной связи, инвертирующий вход которого подключен к выходу устройства, неинвертирующий - к первому источнику опорного напряжения, а выход - к неинвертирующему входу компаратора-модулятора, который своим инвертирующим входом соединен .с выходом генератора напряжения пило- . образной формы 2J . .

Известное устройство имеет относительно низкий КПД. Это обусловлено тем, что- для обеспечения высокого качества выходного напряжения как в статическом, так и в динамическом режимах, через высокочастотный ключ в нагрузку должна поступать значительная часть мощности.При . невысоком КПД высокочастотного ключа это снижает общий КПД устройства, поскольку высокочастотный ключ рабо,тает непрерывно. Целью изобретения является повышение КПД при скачкообразном увеличении тока нагрузки с сох занением высокого качества выходного напряжения. ..

Поставленная цель достигается тем, то в импульсный ста:билизатор постоянного, напряжения, содержащий ежду входным и выходным выводами ервый ключ с низкочастотнйм интегрирующим выходнь1М Фильтром и сое-, иненный параллельно с ним второй ключ с высокочастотным интегрирующим выходным фильтром и усилитель обратной связи, инвертирующим входом подключенный к выходному выводу, неинвертирующим входом - к источнику опорного напряжения, а выходом - к неинвертйрующему входу компаратора-модулятора, инвертирующий вход которого соединен с выходом напряжения, пилообразной формы генератора колебаний, введены дополнительный компаратор, неинвертирующим входом подключенный к выходу усилителя обратной связи, а инвертирующим входом к дополнительно введенному источнику опорного напряжения, триггер, включающий вход которого соединен с выходом дополнительного компаратора, функциональный логический элемент для вырабатывания импульса при отсутствии сигнала с выхода компаратора-модулятора на интервале времени, соответствующем периоду коле баний генератора, при этом выход . функционального логического элемент соединен с выключающим входом триггера, первый вход - . с выходом напряжения прямоугольной формы генератора колебаний, а второй вход- с выходом компаратора-модулятора и первыми входами введенных в устройство логических элементов ИЛИ и И, причем другие входы логических элементов ИЛИ и И, а также вход управления частотой генератора соединены с выходом,триггера, выход элемента ИЛИ соединен с управляющим входомпервого ключам а выход элемента И с управляющим входом второго ключа. -На фиг. 1 изображена функциональ ная схема импульсного стабилизатора постоянного напряженияJ на фиг.2временная диаграмма работы стабилизатора, (индексы при напряжениях соответствуют номерам узлов.

Устройство содержит первый ключ 1 с низкочастотным выходным фильтром, второй ключ 2 с высокочастотным выходным фильтром, усилитель 3 обратной связи, инвертирующим входом 4 подключенный к выходному выводу стабилизатора, а неинвертирующим 5 к источнику 6 опорного .напряжения. Выход усилителя 3 подсоединен к неинвертирующему входу 7 дополнительного компаратора 8, инвертирующий вход 9 которого подключен.к второму источнику 10 опорного напряжения. Выход компаратора 8 подключен к включающему S -входу 11 триггера 12. Отключающий R -вход 13 триггера 12 соединен с выходом 14 функционального логического элемента (ФЛЭ) 15, а выход триггера 12 соединен с входом управления (переключения) частотой генератора 16 колебаний и первыми входами элемента 17 (логическое и) и элемента 18/(логическбе. ИЛИ|, вторые входы которых соединены с выходом 19 компаратора- одулятора 20 и входом 21 ФЛЭ 15.Вход 22 ФЛЭ 15 подключен к выходу 23 напряжения прямоугольной формы генератора 16,выход 24 напряжения пилообразной формы которого подключен к инвертирующему входу 25 koMnapaTopa-модулятора 20. Неинвертирующий вход 26 компаратора-модулятора 20 соединен с выходом 27 усилителя 3. Выход логического элемента 17 соединен .с управляющим входом ключа 2, а выход логического элемента 18 - с управляющим входс м ключа 1. Конденсатор 28, .подключенный параллельно выходу ста билизатора, является общим для низкочастотного и высокочастотного интегрирующих фильтров ключей 1 и 2 соответственно. Устройство работает следующим об tiasoM. При неизменной нагрузке на выход стабилизатора напряжение на выходе. триггера 12 соответствует потенциалу логического нуля, поэтому широтно-модулированные импульсы с выхода компаратора-модулятора 19 на управляющий вход ключа 2 не поступают он .находится в разомкнутом состоянии)и периодически замыкается и размыкается только ключ 1.. При этом генератор .16 вырабатывает низкочастотное пилообразное напряжение и напряжение на выходе стабилизатора за счет действия обратной связи через усилитель 3 и компаратор-модулятор 20 поддерживается постояннь1м и соответствующим величине на-, пряжения первого источника 6 опорного напряжения. Этот эт.ап работыиллюстрируется временной диаграммой фиг.2; интервал времени О - tj). Работа импульсного стабилизатора на относительно низкой частоте (менее 50 кГц обеспечивает малые динамические потери,-цоэтому КПД стабилизатора достаточно высок (90-95%. Для обеспечения низкого уровня пульсаций выходного напряжен 11вц)1индуктив.ность низкочастотного интегрирующего фильтра должна быть значительной, что отрицательно сказывается на качестве переходного процесса при скачкообразном увеличении тока нагрузки. , .При скачкообразном увеличении то ка нагрузки ij, {фиг.2а) , в момент времени t ток в индуктивност низкочастотного фильтра не может из мениться достаточно быстро, поэтому на выходе стабилизатора появляется провал выходного напряженияли8| иг.2 1Сак только напряжение на выходе усилителя ошибки 3 в результате скачкообразного возрастания тока на грузки превысит величи.ну напряжения второго источника 10 опорного напря жения, срабатывает компаратор 8 и переводит выход триггера 12 в состояние с высоким логическим уровнем При этом ключ 1 перестает реагировать на импульсы, поступакядие с вьис да компаратора-модулятора 20, оставаясь зс1Мкнутым, а ток в индуктив ности-ключа 1 начинает возрастать. Недостающая мощность в нагрузку начинает поступать через ключ 2, инду тивность интегрирукяцего фильтра крт рого может быть выбрана на порядок (и более) меньше индуктивности низ кочастотного интегрирующего фильтра в ключе 1. Поскольку время переходниго процесса пропорционально величине индуктивности интегрирующего фильтра, возрастание тока в индуктивности высокочастотного интегрирующего фильтра происходит значител но быстрее, чем в индуктивности низкочастотного, что существенно сокращает..-, время и амплитуду провала переходного процесса. Наличие широтно-модулированных импульсов на управляющем входе ключа 2 приврд1|т к плавному нарастанию напряженияОду пос.ле возникновения провала, что практически исключает перерегулирование на выходе стабилизатора. . Наличие высокого логического уровня на выходе триггера 12 переводит генератор 16 в режим работы с повышенной частотЪй,поэтому, несмотря на малую величину индуктивности фильтра в ключе 2, пульсации на выходе стабилизатора возрастаиот незначительно, а процесс накопления энергии в индуктивности идет значительно быстрее. Поскольку ток в нагрузку поступает и через ключ 1, ток виндуктивности ключа 2 нарастает, а ток в индуктивности ключа 2 начинает уменьшаться, (этот процессиллюстрируется временными диаграг-1мами Tj , Т- на фиг.2ж , з) интервал времени tj-i Наступает такой момент, когда вся необходимая мощность в нагрузку начинает поступать через ключ 1. При этом на выходе компаратора-модулятора 20 исчезает последовательность широтно-модулированных импульсов, и на выходе ФЛЭ 15 появляется импульс, переводящий выход триггера 12 в состояние с низким логическим уровнем, что запрещает прохождение импульсов с выхода компаратора-модулятора 20 на управляющий вход ключа 2 (ключ 2 остается разомкнутым) , снижа.ет рабочую частоту генератора 16 и разрешает прохождение импульсов с выхода компаратора-модулятора 20 на вход управления ключа 1 т.е. стабилизатор выходит на стационарный режим с высоким КПД и низким уровнем пульсаций,.обусловленных соответствующим выбором параметров -низкочастотного интегрирующего фильтра. (На фиг.2 и пунктиром показан переходный процесс при отсутствии подавляющего провала вькодного напряжения высокочастотного параллельного канала, сплошной линией - при наличии параллельного высокочастотного канала). Таким образом, стабилизатор напряжения обладает высокой динамической стабильностью и высокими техникоэкономическими показателями за счет того, что дополнительный компаратор подключен к выходу усилителя ошиб ки, а высокочастотный параллельный

канал подавляющий провалы выходного напряжения и обладающий в сравнении с ниэкочастотным меньшим КПД (60-65% против 90-95%)включается только на

время переходного процесса, а в статическом режиме практически не потребляет энергии, что повышает суммарный КПД устройства.

ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий между вход(шм и выходи вы одами первый ключ с нйзкочастотньш интегрирушЕИМ выходным фильтром и соедиценный парсшлельно с ним второй ключ с высокочастотным интегрирующим выХОДНЁА4 фильтром И усилитёль обратной связи, инвертирующим входом подключеншяй к выходному выводу, неинвертируккаим входом - к источнику опорно- . го напряжения, а выходом - кявинвертирующему входу компаратора-мо-. дулятора, инвертирующий вгсод которо.го соединен с выходом напряжения Шлообразной формы генератора колеба., НИИ, о т л;и ч а ю щи и с я тйм, что г с цегаью повьвиения КПД при скачкообразном увеличении тока нагрузки с сохранением высокрго качества выходного напряжения, в него введены дополнительный компаратор, неинверти рующим входом подключённый к выходу усилителя обратной связи, а инвертирующим входом к дополнительно введенному источнику опорного напряжения, триггер,, включающий вход которого соединен с выходом дополнительного компаратора, функциональный логический элемент для вырабатывания импульса при отсутствии сигнала с выхода компараторамодулятора на интервале времени, соответствующем периоду колебаний генератора, при этом выход функционального логического элемента соединен с выключающим яходом тригге- . ра, первый вход - -с выходсж напряжения прямоугольной формы генератора колебаний, а второй вход с выходом компаратора-модулятора к первыми вХодаьш введенных в устройство логических элементов ИЛИ и И, причем другие входы элементов ИЛИ и И, а также вход управления частотой генератора соединеюл с выхо дом Tp«rt«pa, выход элемента rant соединен с управляющим входом первоIгоКлюча, а выход элемен1 а И - с управляюв1им входом второго ключа.

%|

Фуг.

Ug

.

,%

и„

Utt

и.

tf

t I

д

ft

и

Л1

,

п