Стабилизированный конвертор Советский патент 1983 года по МПК H02M3/335 

1 Изобретение относится к электроте нике, а имеью к стабилизированным преобразователям напряжения, и может быть использоватю в устройствах питания электронной аппаратуры.

Известны стабилизированные преобразователи напряжения, содержащие ключевой элемент, управляемый ШИМсигналом, накопительный трансформа- ; тор, нагруженный на однополупериодный выпрямитель, задающий генератор, схему управления и источник опорного напряжения tl,

Э указанных преобразователях для получения регулирующего сигнаша рассогласования напр яжение выхода, , преобразователя подается на порогово

устройство непосредственно, что препятствует гальванической развязке входных и выходных цепей преобразователя .

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является стабилизированный конвертор, содержащий подключенные последовательно к входным выводам ключевой элемент и трансформатор, вторична.я обмотка которого через однополупериодный выпрямитель и фильтр подключена к выходным выводам устройства, вспомогательный стабилизатор, к выходу которого подключен задающий генератор, выход которого присоединен к первому входу блока управления, выход которого соединен с входом ключевого элемента, кроме того, подключенный к точке соединения первого входного вывода и трансформатора первый вывод цепи, состоящий из двух последовательно соединенных резисторов, к общей точке которых подключен один из выводов конденсатора З.

Недостаток заключается в отсутствии гальванической развязки между входом и выходом.устройства, что снижает его эксплуатационные характеристики,

Целью изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик стабилизированного конвертора путем введения гальванической развязки между входом и выходом устройства.

Указанная цель достигается тем, что в стабилизированный конвертор, содержащий подключенные последовательно к входным выводам ключевой .элемент и трансформатор, вторичная обмотка которого через однополупериодный выпрямитель и фильтр подключена к выходным выводам конвертора, вспомогательный стабилизатор, к выходу которого подключен задающий генератор, выход которого присоединен к .первому входу блока управления, выход которого соединен с входом ключевого элемента, кроме того, подключенный к точке соединения первого входного вывода и трансформатора,

первый вывод цепи, состоящей из двух последовательно соединенных резисторов, к общей точке которых подключен один из выводов первого конденсатор. введен компаратор, выход которого подключенк второму входу блока управления, первый вход - к выходу реаистивного делителя, а второй вх-од через соединенные параллельно диод, включенный в прямом направлении и резистор - к выходу вспомогательноп стабилизатора и через второй конден сатор - к второму входному выводу, соединенному с входным выводом резистивного делителя, другой входной вывод которого подключен к выходу вспомогательного стабилизатора, причем точка соединения трансформатора и ключевого элемента соединена через введенный диод, включенный в прямом направлении, с другим выводом упомянутой цепи из двух резисторов, при этом второй вход компаратора соединен с другим выводом первого конденсатора.

Блок управления содержит RS -триггер и элемент 2 ИЛИ-НЕ, соединенный первым входом с выходом RS -триггера, а вторым - с первым входом блока управления и с Н-входом RS -триггера, причем второй вход блока управления подключен к S-входу Кбгтриггера, а выход элемента 2 ИЛИ-НЕ - к выходу блока управления.

На фиг, 1 приведена функциональная схема стабилизированного KOHBepTopaj. на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений, поясняющие его работу.

Конвертор содержит вспомога1тельный стабилизатор 1, блок 2 управления, первый вход которого соединен с задающим генератором 3, питаемым от вспомогательного стабилизатора 1, второй вход блока 2 управления соединен с выходом компаратора 4, выход блока 2 управления соединен с входом ключевого элемента 5, включенного последовательно с первичной обмоткой трансформатора 6, вторичная обмотка которого соединена с однотактным выходным выпрямителем и фильтром, содержащим диод 7 и конденсатор 8. Полярность подключения обмоток трансформатора 6 выбрана такой, чтобы при открытом ключевом элементе 5 диод 7 был заперт К, точке соединения ключевого элемента 5 с выводом первичной обмотки трансформатора б подключен диод 9 таким образом, что он заперт при открытом ключевом элементе 5. Устройство также содержит компаратор 4, первый вход которого подключен через делитель напряжения 10 к выходу вспомогательного стабилизатора 1, второй вход через параллельно включенные диод 11 и резистор 12 также подключен к выходу вспомогательного стабилизатйра 1 и, кроме того, через перный конденсатор 1.3 - к обгйей точке цепи из двух резисторов 14 и 15, св бодные выводы которых подсоединены соответственно к ncpnor-iy входному вы воду и диоду 9 и через второй конде сатор 16 - к второму входному вывод стабилизатора, причем точка соедине ния ключевого элемента и транс.форма тора соединена через согласно включенный диод с другим выводом цепи и двух резисторов, а второй вход комп ратора с другим выводом первого кон денсатора. Резистбры и конденсаторы должны удовлетворять соотношениям ( - с(,) Т ff4 .Cii С,) « т 1. St.) «т, где . сопротивления резис,, торов 12,14 и 15 соответственноС .С.- емкость конденсато ров 13 и 16; Т - период сигнала зада: ющего генератора. Блок 2 управления содержит FSтриггер 17 и элемент 2 ИЛИ-НЕ 18, причем первым входом блока 2 управления .являются параллельно подклю.ченные R-вход КЗ-триггера 17 и- один из входов элемента 2ИЛИ-НЕ 18, вторым входом блока 2 управления является s-вход RG-триггера 17, выход RS-триггера 17 подключен к свободнрму входу элемента 2 ИЛИ-НЕ 18, выход которого является выходом блока 2 управления. Устройство работает следующим образом. При включении питания задающий генератор 3 вырабатывает периодический импульсный сигнал, определенные фронты которого (например, отрицательные) приводят к открыванию ключе вого элемента 5 с помощью блока 2 управления. Протекающий при этом через первичную обмотку трансформато ра 6 ток намагничивает сердечник . трансформатора (энергия источника питания расходуется на намагничивание сердечника, так как диоды 7 и 9 в это время закрыты), В определенны момент времени, до прихода следующего отрицательного фронта с генера тора 3, блок 2 управления закрывает ключевой элемент 5. При этом диоды 7 и 9 открываются, и сердечник транс форматора размагничивается токами, приходящими через эти диоды. При этом напряжение } на концах цепи из двух резисторов 14 и 15 выражается следующим образом где Ugbu напряжение на нагрузке} и и и.- падение напряжения на открытых диодах 7 и 9 соответственноК - коэффициент трансформации -трансформатора 6, В связи с тем, что напряжение на открытом р-п переходе с-пабо зависит от тока 1.1 О J const. Таким образом, при запертом ключевом элементе 5 к цепи из двух резисторов 14 и 15 прилагается напряжение, линейно зависящее от выходного напряжения конвертора, но гальванически развязанное от него. Указанное напряжение сравнивае.тся с некоторым внутренним опорным напряжением, и результат-сравнения выдается на вход блока 2 управления. В зависимостиот результата сравнения блок 2 управления либо увеличиfaeT интервал времени открытого состояния ключевого элемента. 5, увеличивая при этом выходное напряжение конвертора, либо уменьшает, осуществляя таким образом, стабилизацию выходного напряжения. Работа конвертора поясняется диаграммами напряжений (фиг. 2)в определенных точках схемы., указанных на фиг. 1. После включения питания задающий генератор 3 подает на первый вход блока 2 управления импульсный сигнал и (фиг.2). Всвязи;с тем, что напряжение на выходе конвертора в первое время мало, сигнал Up на выходе компаратора 4 отсутствует в течение первых п + 1 периодов сигнала задающего генератора 3,. При этом с выхода блока 2 управления на управляющий вход ключевого элемента 5 поступает сигнал и., такой, что интервал времени открытого состояния ключевого элемента 5 максимален и соответственно максимальна мощность, отдаваемая, на заряд конденсатора 8. Напряжение на нагрузке растет, а вместе с ним растет амплитуда импульсов 1} на выходе ключевого элемента 5 и гц 1Ьлитуда импульсов на входе цепи из двух резисторов 14 и 15. Импульсы V вызывают отпирание диода 11 при закрытом ключевом элементе 5, при этом напряжение и измерительном входе компаратора 4 равно сумме напряжения вспомогательного стабилизатора 1 и падения напряjlteHHfl на. открытом диоде 11, а конденсатор 13 заряжается через диод 11 и резистивный делитель на резисторах 14 и 15, При отпирании ключевого элемента 5 происходит разряд конденсатора 13 через резистор 14 и конденсатор 16, то приводит к экспоненциальной зависимости формы заднего фронта сигнала U, амплитуда импульсов которого пропорциональна выходлому напряжению конвертора. При закрытии ключевого элемента 5 процесс повторяется,причем наличие резистора 12 позволяет осуществлять привязку верхнего уровня Ug к стабилизиробанному напряжению вспомогательного стабилизатора 1, Так происходит до тех пор, пока напряжение на выходе конвертора не достигнет требуемой величины ( п + ябриод ий,,фиг. 2), Тогда на следующем п + 2 периоде сигнала Vj сигнал Ug на измерительном входе компаратора 4 пересечет уровень опорного напряжения, задаваемый делителем 10 напряжения на опорном входе компаратора 4, что приведет к появлению сигнала Ur на выходе компаратора 4, .Поступив на S-в-ход RS-триггера 17 блока 2 управления, он вызовет переброс RS-триггера и сброс управляющего сигнала с входа ключевого элемента 5, ключевой элемент 5 закроется, что приведет, в свою очередь, к положительному фронту сигнала Ug и сбросу сигнала Ur, Уменьшение интервала времени открытого состояния . ключевого элемента 5 приведет к умень шению мощности, передаваемой во вторичную цепь, и начнется режим стабилизации напряжения (период 3 и далее). Монотонность экспоненциальной кривой заднегофронта сигнала Ug позволяет обеспечить плавное регулирование и мягкий режим стабилизации. В связи с тем,что конденсатор фильтра 8 выбирается таким образом, чтобы эффективно фильтровать переменную составляющую напряжения на нагрузке, время задержки цепи обратной связи конвертора, не превышающее периода сигнала задающего генератора, во много раз меньше характерных времен изменения выходного напряжения при изменении тока нагрузки или напряжеНИН питания конвертора. Таким образом, включение порогового устройства в цепь первичной обмот ки трансформатора позволяет обеспечить гальваническую развязку между входными и выходными цепями стабилизированного конвертора, а предлагаемая структура порогового устройства, обеспечивающая сравнение выходьюго напряжения конвертора с опорным Напряжением в каждом периоде сГигнала, задающего генератора, позволяет увеличить быстрое дейст,вне и глубину обратной связи. В стабилизированном конверторе, выполненном по предлагаемой схеме, быстродействие обратной связи около 10 МКС, без труда достигается регулировка выходного напряжения 5 - 50 В при входном напряжении в диапазоне 24 - 34 В. При установленном выходном напряжении 15 В нестабильность не превышает 0,1 В при изменении входного напряжения во всем диапазоне и колебаниях потребляемого тока от номинального до 10% номинального; даже при полностью отключенной нагрузке выходное напряжение не превышает 20 В. Конвертору не опасны короткие замыкания по входу, так как максимальный интервал открытого состояния ключевого элемента, а следовательно,- максимальная мощность определяется скважностью сигнала задающего генератора,, эта мощность рассеивается на диоде выпрямителя. Предлагаемая схема допускает получать несколько различных стабилизированных гальв&нически развязанных напряжений на выходе, для этого на трансформаторе должно быть несколько вторичных обмоток с однополупериодным выпрямителем в каждой обмотке. Описанные характеристики в сочетании с небольшими аппаратурными затратами (возможно выполнение функций задающего генератора, порогового устройства и блока управления на одной микросхеме 564 ЛН1, 4 конденсаторах, 6 резисторах и одном диоде) позволяют широко использовать предлагаемый стаби-: лизированный конвертор в маломощных устройствах электропитания электронной аппаратуры.

f1/J

W-tHH8

1. СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ КОНВЕРТОР , содержащий подключенные последовательно к входным выводам ключевой элемент и трансформатор, вторичг ная обмотка которого через однополупериодный выпрямитель и фильтр подключена к выходным выводам конвврторву вспомогательный стабилизатор, к выходу которого подключен задающий ге-. нератор, выход которого присоединен к первому входу блока управления, выход которого соединен с входом ключевого элемента, кроме того, подключенный к точке соединения первого входного вывода и трансформатора первый вывод цепи, состоящей из двух ; последовательно соединенных резисторов , к общей точке которых подключен один из выводов первого конденсатора/ от л и ч а ю щ и .и с я тем, что, с целью улучшения эксплуатационных характеристик путем введения гальванической развязки между входом и выходом конвертора, введен компаратор, выход которого подключен к второму входу блока управления, первый вход - к выходу резистивного делителя, а второй вход - через соединенные параллельно диод, включенный в .прямом направлении, и резистор - к выходу вспомогательного стабилизатора и через второй конденсатор- - -к второму входному выводу, соединенноJ му с входным выводом резистивногс5 двигателя, другой входной вывод кото- I рого подключен к выходу вспомогатель-sg ного стабилизатора, причем точка со(О единения трансформатора и ключевого элемента соединена через введенный диод, включенный в прямом направлении, с другим выводом упомянутой цепи из двух резисторов, при этом второй В вход компаратора соединен с другим выводом первого конденсатора, 2. Конвертор по п. 1, отличающийся тем, что блок управления СП содержит RS -триггер и элемент 2ИЛИоо ю .НЕ, соединенный первым.входом с выходом RS-триггера, а вторым - с первым входом .блока управления и с R -входом 00 RS -триггера, причем второй вход блока управления подключен к S - вхо00 (ДУ RS-триггера, а выход элемента ; 2ИЛИ-НЕ - к выходу блока управления.

(Jivt.J

V, ,. . . Ф f.

4 r rl гТ г

vt

0 Vt

e, tffl

Out

t Vf