Многофазный импульсный стабилизатор Советский патент 1986 года по МПК G05F1/56 

Изобретение относится к электро- технике и может быть использовано в качестве источников электропитания электротехнической и радиоэлектронно аппаратуры различного назначения. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем обеспечения возможности построения многофазной структуры с силовыми каналами на основе двухтактных преобразователей напряжения. На фиг. 1 приведена структурная схема многофазного импульсного стабилизатора; на фиг, 2 - эпюры напряжений, пояснякйцие работу устройства. Многофазный импульсный стабилизатор постоянного напряжения содержит источник 1 питания, подключенный к N силовым каналам 2, выходные цепи которых подключены к нагрузке 3 параллельно или последовательно, и блок 4 управления, содержащий генератор 5 синхроимпульсов, первый 6 и второй 7 формирователи тактовых импульсов, первый 8 и второй 9 формирователи строб-импульсов, формирователь 10 импульсов синхронизации широтно-импульсного модулятора, широтно-импульсный модулятор 11, универсальный N-разрядный регистр 12 сдвига, дешифратор 13, источник 14 опорного напряжения, схему 15 сравнения N логических элементов 2И-НЕ 16, N триггеров 17 управления, источник 1 питания блока 4 управления. Формиро ватель 10 импульсов синхронизации широтно-импульсного модулятора 11 содержит входной каскад 19, вьшолне ный на двоичном т-разрядном счетчик и выходной каскад 20, в качестве ко торого используется формирователь пилообразного напряжения и третий формирователь 21 строб-импульсов. Кроме того, блок 4 управления содержит селектор 22, На фиг. 2 приведены эпюры налряжений: а - на выходе первого форми рователя 6 тактовых импульсов I - н (т - t)-M выходе двоичного т-разряд ного счетчика 19; 8 - на т-м выход двоичного щ-разрядного счетчика 19/ г-на выходе третьего формировател 21 строб-импульсов} о. - на входах широтно-импульсного модулятора Itjе - на выходе миротно-импульсного модулятора 11; )К - на выходе селек тора 22; ,- на выходе фор мирователя 8строб-импульсов| и 1а первом выходе дешифратора 13{ К - на втором выходе дешифратора 13, Л - на (N/2 + 1)-м выходе дешифратоа 13; м - нэ N-M выходе дешифратоа 13j н - на выходе второго формиователя 9 строб--импульсов-; О - на выходе второго формирователя 7 тактовых импульсов j Г) - на выходе первого разряда универсального N-разрядного регистра 12; р - нд выходе второго разряда универсального N-разрядного регистра 12} с - на выходе (N/2 + 1)-го разряда универсального N-разрядного регистра 12 m - на выходе N-ro разряда универсального Nразрядного регистра 12j и - на выходе первого триггера 17 управления, ор - на выходе второго триггера 17 управленияj к - на выходе (N/2 + + 1)-го триггера 17 управления, у, на выходе-N-ro триггера 17 управления. Многофазный импульсный стабилизатор имеет входные клеммы, к которш подключены источник 1 питания и силовые каналы 2, именщие две общие шины. Нагрузка 3, подключенная к выходным клеммам, в случае гальванической развязки не имеет общей точки соединения с источником 1 питания. Генератор 5 синхроимпульсов выходом подключен к входным цепям первого 6 и второго 7 формирователей тактовых импульсов. Выход первого формиррвателя 6 тактовых импульсов подключен к входу формирователя 10 импульсов синхронизации широтно-импульсного модулятора 11. Выход формирователя 10 подключен к опнону из входов широтно-шетульсного модулятора 11, другой вход которого подключен к выходу схемы 15 сразаненкя, один вход которой подключен к источнику опорного напряжения, другой - к выходньш клеммам. К последнимпараллельно или последовательно подключены вы- . ходные цепи каналов 2, выполненных на основе двутактных преобразователей постоянного напряжения. Выход широтно-импульсного модулятора 11 подключен к первому входу селектора 22, второй вход которого подключен к выходу счетчика 19, а выход - к ВХОДУ второго формирователя 9 стробимпульсов, выход которого подключен к общей точке соединения входа установки в О второго формирователя 7 тактовых импульсов и следующих входов универсального N-разрядного регистра 12 сдвига: последовательного приема информации V, , выбора режима приема информации Vj, синхронизации режима параллельного приема информа ции С. У универсального N-разрядно го регистра 12 сдвига вход первого разряда параллельного приема информации подключен к плюсовой шине источника 18 питания блока 4 управле ния, входы второго, третьего, ..., N-ro разрядов параллельного приема информации - к минусовой шине источ ника 18 питания, а вход синхронизации С режима последовательного при ма информации - к выходу второго формирователя 7 тактовых импульсов. Первый, второй, ..., N-й выходы дешифратора 13 подключены к вторым входам соответственно первого, втор го, ..., N-ro логических злементов 2И-НЕ 16, выходы первого, второго, ..., N-ro разрядов универсального разрядного регистра 12 сдвига задни фронтов импульсов подключены к входам синхронизации соответственно пер вого, второго, ..., N-ro триггеров 17 управления, у которых входы 8 под ключены к выходам соответствующих логических элементов 2И-НЕ 16, входы D - к плюсовой шине источника 18 питания. Первый вход первого, второго ..., N-ro логических элементов 2ИНЕ 16 .подключен к выходу первого формирователя 8 строб-импульсов, вход которого подключен к выходу пер вого формирователя 6 тактовьгх импульсов, к выходу которого также подключен вход двоичного т-разрядного счетчика 19, выход первого, второго, ..., го-го разрядов которого подключен соответственно к первому, второму, ..., т-му управляющим входам дешифратора 13. Формирователь 10 импульсов синхро низации широтно-иьшульсного модулятора 11 вьшолнен из двоичного т-разРядного счетчика 19, являющегося входным каскадом третьего формирователя 21 строб-импульсов и формирователя 20 пилообразного напряжения, являкщегося выходным каскадом формирователя 10. При этом формирователь 21 входом подключен к (т - 1)-му выходу т-разрядного счетчика 19, а выходом - к входу выходного каскада 20. Второй вход селектора 22 подключен к т-му выходу т-разрядного счет414чика 19, первый вход которого подключен к выходу широтно-импульсного .модулятора 11, а выход - к входу второго формирователя 9 строб-импульсов. Выходы первого, второго, ..., N/2-го триггеров 17 управления подключены к первым входам управления соответственно первого, второгоN/2-го силовых каналов 2 а выходы (N/2 + + 1)-го, (N/2 + 2)-го, ..., N-ro триггеров 17 - к вторым входам управления соответственно первого, второго, ..., N/2-го силовых каналов. Многофазный импульсный стабилизатор работает следующим образом. С выхода генератора 5 синхроимпульсов напряжение с периодом Т 0,01ТК,. где Т - период коммутаций силовых каналов 2J К - требуемая (%) точность воспроизведения длительности импульса выходного сигнала широтно-импульсного модулятора 11 на выходе триггеров 17 управления,, поступает на вход формирователей 6 и 7 тактовых импульсов. В случае использования в качестве формирователей 6 и 7 тактовых импульсов двоичных празрядных счетчиков период Т.... выбирается из условия Т, T/N2 где п (100/Nk) -f 1; целая часть числа log dOO/Nk) . Цоэтому на выходах формирователей 6 и 7 формируются напряжения с периодом следования Т T/N (эпюры а , о, фиг. 2). В общем случае выходные напряжения формирователей 6 и 7 могут иметь сдвиг по фазе, поскольку выходное напряжение второго формирователя 7 синхронизируется задним (передним) фронтом широтно-импульсчого модулятора 11. Выходное напряжение первого форирователя 6 тактовых импульсов возействует на входы формирователей 10 8. Входньм каскадом формирователя 10 импульсов синхронизации широтномпульсного модулятора 11 является воичный счетчик, разрядность котоого является функцией числа N: m log,N. Поскольку выходы первого, второго, ..., т-го разрядов двоичного счетчиа 19 подключены к управляющим вхоам дешифратора 13, на первом, втоом, ..., (N/2 + 1), ..., N-M выходах дешифратора 13 появляются- положительные импульсы (эпюры U, k , л , W, фиг. 2) длительностью Т Т/N и периодом следования, равным Т (например, эпюра ц соответствует состоя нию счетчика 19 00...00, эпюра k состоянию 00...01, эпюра м - состоя нию 11... 111 счетчика 19). Формирователь 8 формирует стробимпульсы (эшора -jf , фиг. 2), совпадающие с перепадом 1/0 выходного сиг нала формирователя 6 (эпюра с( , фиг. 2). Указанные строб-импульсы с периодом следования Т„ T/N воздействуют на первый вход первого, второго, ..., N-ro логических элементов 2И-НЕ 16. Поскольку на второй вход указанных логических элементов 16 поступают положительные импульсы с выходов первого, второго, ..«, N-ro (эпюры If, к , ft , № , фиг. 2) дешифраторов 13 с периодом следования Т, в N раз большим Т, на выходах логических элементов 16 появляются при одновременном присутствии высок уровней напряжений отрицательные импульсы с периодом следования Т В результате воздействия этих импул сов по входу R триггеров 17 управле ния происходит установ1ка их по выходу Q в низкий, а по выходу Ч в высокий УРОВНИ напряжения. На выходе Q первого триггера 17 управления появляются высокие уровни напря жения в моменты времени t, t t,, + Т, ... (эпюра , фиг. 2), н выходе второго триггера 17 - t (эпюра t . . 4. Г t п фиг. 2), на выходе (N/2 + 1)-го триггера 17 - t + NT/2, t, + ... (эпюра X , фиг. 2), на выходе. N-ro триггера 17-t, «Т„(Н-1), t, + T(N - 1), ... (эпюр ij , фиг. 2). Высокие уровни напряжения на выходах Q триггеров 17 управления сохраняются до прихода на вход синхронизации С сигнала управления с соответствующего выхода регистра 12 сдвига. Выходной сигнал (эпюра S , фиг.2 (т - 1)-го разряда т-разрядного двоичного счетчика 19 используется для синхронизации формирователя 20 пилообразного напряжения. Синхронизация осуществляется строб-импульсами (эпюра -г , фиг. 2), которые формируются на выходе формнрователя 21 на перепад 1/0 выходного сигнала (т - 1)-го разряда счетчика 19 (фиг.2,5). Период следования положительных строб-иьшульсов (фиг. 2. -j ) на выходе третьего формирователя 21 строб-импульсов равен Т/2. Поэтому и период слёдования выходного сигнала Uu(t) (эпюра , фиг. 2) формирователя 20 равен Т/2. Воздействие указанного сигнала Uj,(t) на один из входов широтно-импульсного модулятора 11 и уровня напряжения (t) (эпюра . , (фиг. 2) на другой вызывает появление на его выходе широтногмодулированного сигнала с длительностями импульсов t, t, ty,, ... (фиг. 2,е ) и периодом Т/2. Указанный сигнал поступает на первый вход селектора 22, на второй вход которого поступает сигнал с га-го выхода счетчика 19 (эпюра , фиг. 2). Низкий уровень выходного сигнала селектора 22 формируется (эпюра ж ,фиг.2) при одновременном присутствии низких уровней напряжений на его входах (эпюры е, Ь , фиг. 2). В каждом из периодов Т выходной сигнал (фиг. 2, Ь) т-го разряда двоичного счетчика 19 на интервале времени Т/2 имеет высокий уровень напряжения, запрещакяций прохождение на выход селектора 22 широтно-модулированного сигнала - низкого уровня напряжения широтно-импульсного модулятора 11. Позтому из двух импульсов выходного сигнала указанного широтно-импульсного модулятора 11 в каждом периоде Т (фиг. 2, е : t, и t,, tyj и ty4. ...) на выход селектора 22 проходит один (фиг. 2,ж : t Этим достигается ограничение мак- симальной длительности ширины импульсов сигнала управления на уровне V2 при периоде Т и обеспечивается возможность использования его для , организации электрических процессов в| силовых каналах на основе двутактных .преобразователей постоянного напряжения. На перепад 1/0 выходного сигнала (фиг. 2,1К) селектора 23 второй формирователь 9 строб-импульсов формирует положительные строб-шшульсы в моменты времени t + t, , L + uj ... (эпюра н , фиг. 2). Короткие по ложительные импульсы формирователя 9 строб-импульсов обеспечивают установку в о второго формирователя 7 тактовых импульсов (счетчика) по выходу R и перевод универсального регистра 12 по входу V в режим параллельного приема информации. Так как вход перього разряда универсаль ного регистра 12 подключен к плдосов шине источника 18 питания, а входы разрядов с второго по N-й подключены к минусовой шине источника 18 пи тания, обеспечивается запись высоко го зфовня напряжения в первый разряд и низкого уровня напряжения в разряды с второго по N-й в моменты (эпюры времени t, + t, , t , и, К , л , м , фиг. 2). Таким образом, в каждом периоде Т производится установка в О второго формирователя 7 тактовых импульсов (эпюра о , фиг. 2) в момент времени (эпюра П , фиг. 2), совпадающие с перепадом 1/0 выходного сигнала селектора 23 (эпюра к , фиг. 2). В интервалах времени между воздействиями строб-импульсов форми рователь 7 обеспечивает тактовые им пульсы с периодом следования Т .(эпюра о , фиг. 2) на входе С, синхронизации режима последовательного приема информации универсального регистра 12. В указанных интервалах времени универсальный регистр 12 на ходится в режиме последовательного приема информации (на входе V присутствует низкий уровень напряжения эпюра к фиг. 2). Поэтому записанный в первый разряд универсального регистра 12 высокий уровень напряже ния сохраняется на выходе первого разряда универсального регистра 12 в интервалах времени t t, + Ти, t, + t t : t + t i+ty, «T(,,... (эпюра n , фиг. 2).В мо менты времени t о -Ul « ., совпадающие с фро + t,,4 +1 11 4 X u4 у ( w- TOM 1/0, поступающим с выхода формирователя тактовых импульсов 7 на вход синхронизации с универсального регистра 12 тактовых импульсов (эпюра о , фиг. 2), производится запись низких уровней напряжений в первый разряд (эпюра и , фиг. 2) и высоких уровней напряжений во второй разряд (эпюра р , фиг. 2). Так как период следования тактовых импульсов на выходе формирователя 7 тактовых импульсов равен Т„ (эпюра о , фиг. 2}, то на N выходах универсального ре7418гистра 12 присутствуют высокие уровни напряжений длительностью Т„ , начиная на выходе первого разряда с t« + t... , t, + t,,,, ... (эпюра n , о -ui -1 -иэ фиг. 2), на выходе второго разряда с to + t, + Т„, t, + tu, + Т„, ... (зпюра р , фиг. 2), на выходе (N/2 - 1)-го разряда с t« + t... + о Ч, + Т/2, t, + t, + Т/2, ... (эпюра с, фиг. 2), на выходе N-ro разряда с to + tu + (N - 1)Т, t, + t, + + (N - 1)Т„, ... (эпюра Т , фиг. 2). Фронтом 0/1 сигнала с выхода перBoroj, второго, ..., (N/2 - 1)-го, N-ro разрядов универсального регистра 12 (эпюры k, л фиг. 2) производится переключение по в::рду синхронизации с триггеров 17 управления. Поскольку на входах D триггеров 17 присутствуют высокие уровни напряже-т НИИ, то на их выходах Q вместо низкого уровня появляется высокий уровень напряжения, на выходах Q вместо высоких уровней напряжений низкие соответственно у первого триггера 17 управления в моменты времени t,. + (эпюра у , tr - 4v фиг. 2). второго триггера 17 в моо -(1 h -« менты времени t + t,,, + Т. t, + (эпюра ф , 1)иг. 2), + tu, + Т (N/2- 1)-го триггера 17 в моменты времени + t, + (N - 1)Т + t ц, + (N - 1)Т, ... (эпюра р фиг. 2), N-ro триггера 17 в моменты времени t -)- t, + (N - 1)Т, t, + + t цз + (N - 1)Т„, ... (эпюра и, , фиг. 2)I Формирователи 6 и 7 тактовых импульсов (счетчихи) имеют одинаковую разрядность, равную п. Это обеспечивает формирование ими тактовых импульсов (эпюры а , о , фиг. 2) с равным периодом Т, но сдвинутых (в общем случае) по фазе, так как начальное состояние формирователя 7 тактовых импульсов синхронизируется в моменты времени, совпадакяцие с перепадом 1/0 широтно-модулированного-, сигнала (эпюра ж , фиг. 2) селектоа 22, длительность которого может ежать в интервале О i t r/2. Поэому и передний (задний) фронт (пеепад 0/1) и задний (передний) фронт (период 1/0) широтно-модулированного игнала (эпюра ж , фиг. 2) воспроизодятся в цепях управления триггеров 17 с равным временным сдвигом Т T/N. Передний (задний) фронт воероизводится на входах U триггеров 17 управления, а задний (передний) ронт (эпюры п , р , с , т , иг. 2) - на входах синхронизации d. результате на выходах триггеров 17 управления получаются широтномодулированные импульсы (эпюры U , ср, X , U , фиг. 2), равномерно сдвинутые на время Т и равные по длительности сигналу на выходе широтно-импульсного модулятора 11 (эпюра S , фиг. 2). Указанные сигналы использ: ются для управления соответствуюсцих силовых каналов 2. Сдвиг во времени на величину Т Т /N данных сигналов управления обеспечивает равномерный сдвиг во времени электрических процессов в силовых каналах 2.

На первый и второй входы силовых каналов 2 поступают идентичные сигналы управления, сдвинутые относительно друг друга на время Т/2, т.е. на половину периода следования выходного сигнала селектора 22 (фиг. 2,Ж). Это обеспечивается подключением первого и второго входов первого, второго, ..., N/2-го силовых каналов к выходам соответственно первого и (N/2 + 1)-го, второго и (N/2 + 2)-го, ,.., N/2-го и N-ro триггеров 17 управления. Например, на первый вход первого силового канала 2 воздействует широтно-модулированный сигнал (эпюра и , фиг.2) с выхода первого триггера 17 управления, а на второй - с выхода (N/2 + + 1)-го (фиг. 2,Х ). Мезвду их передними и между их задними фронтами обеспечивается равный временной сдвиг на половину периода Т/2. Идентичность равномерно сдвинутых на Т/2 сигналов управления обеспечивает исполнение силовых каналов 2 на основе двутактных преобразователей постоянного напряжения с нагрузкой в виде трансформатора. При этом обеспечивается симметричное перемегнйчивание силового трансформатора, тем самым исключается насыщение его. В результате повьшаются КПД и надежность всего устройства.

Изменение напряжения на нагрузке 3 при каком-либо возмущающемся воздействии приводит к изменению уровня напряжения Upg(t) на выходе схемы 15 сравнения, к соответствунщему изменению сигнала на выходе широтноимпульсного модулятора 11 и селектора 22. Это приводит к изменению (сдвигу) во времени сигналов на выходах универсального регистра 12 сдвига, воспроизводящего перепад 1/0 широтно-модулированного сигнала к изменению длительности сигналов на выходе триггеров 17 управления и к изменению энергии, передаваемой каждой силовой преобразовательной фазой 2 в нагрузку 3. Указанные изменения за счет использования отрицательной обратной связи направлены на компен- ацию возмущающих воздействий И установление с заданной точностью напряжения на нагрузке 3.

Формула изобретения

Многофазный импульсный стабилизатор напряжения, содержащий силовой каскад, выполненный в виде N/2 параллельно (последовательно) включенных силовых каналов, входом подключенных к входньм, а выходом соединенных с выходными клеммами, и блок управления, состоящий из генератора синхроимпульсов5 формирователя импульсов синхронизации широтно-импульсного модулятора, содержащего входной двоичный та-разрядный счетчик и выходной формирователь пилообразного напряжения, универсального Nразрядного регистра сдвига, N триггеров управления, N логических элементов 2И-НЕ, двух формирователей тактовых импульсов, двух формирователей строб-импульсов, источника опорного напряжения, источника питания блока управления, широтно-импульсного модулятора, дешифратора, схемы сравнения, при этом схема сравнения одним входом подключена к источнику опорного напряжения,другим входо соединена с выходными клеммами, а выходом подключена к одному входу пшротно-импульсного модулятора, другой вход которого подключен к выходу формирователя импульсов синхронизации широтно-импульсного модулятора, выход второго формирователя строб-импульсов подключен к общей точке соединения входа установки в О второго формирователи тактовых импульсов и входов последовательного приема информации, выбора режима приема информации, синхронизации режима параллельного приема информации универсального N-разрядного ре гистра сдвига, у. которого вход синхронизации режима последовательного приема информации подключен к выходу второго формирователя тактовых импульсов, вход первого разряда параллельного приема информации подключен к плюсовой шине источника пи тания блока управления, вход второг третьего, ..., N-ro разряда параллельного приема информации подсоеди нен к минусовой шине источника питания выходы первого, второго, ... N-ro разрядов подключены к входам сияхронизации соответственно первог второго, ..., N-ro триггеров управления, у которых входы R подключены к выходам соответствующих логически .элементов 2И-ИЕ, входы D соединены с плюсовой шиной источника питания . блока управления, а йыход первого, второго, ..., N/2-го силовых каналов, первый вход первого, второго, ..., N/2 логических элементов 2И-НЕ подключен к выходу первого формирователя строб-импульсов, вход которого подключен к выходу первого форьшрователя тактовых импуАьсов и к входу формирователя импульсов синхронизации широтно-имяульсного модулятора, выход генервтора синхроимпульсов подключен к входам первого и второго формирователей тактовых импульсов, первый, второй, ..., т-й угфавляющие входы дешифратора подключены к выходу соответственно первого, второго, .., т-го разряда т-разрядиого двоичного счетчика формирователя импульсов синхронизации широтно-нмпульсного модулятора, а первый, второй, ..., N-й выходы дешифратора подключены соответственно к второму входу первого, второго, ..., N-rc логические злементов 2И-НЕ, отличающийся тем, что, с цапью расширения функциональных возможностей путем обеспечения возможности построения многофазной структуры с силовьжи каналами на основе двухтактных преобразователей постоянного напряжения, в него введены селектор и третий формирователь строб импульсов, при этом третий фop шpoвaтeль строб-импульсов входом подключен к (т - 1)-му входу двоичного т-разрядного счетчика формирователя импульсов синхронизации широтно-импульсного модулятора, а выходом подсоединен к входу формирователя пилообразного напряжения формирователя шшульсов синхронизации широтно-импульсного модулятора, т-й выход двоичного га-разрядного счетчика формирователя импульсов синхронизации широтно-импульсного модулятора подключен к второму входу селектора, первый вход которогоподключен к выходу широтно-4 мпульсного модулятора, & Ш|Осод подсоединен к входу второго формирователя строб-импульсов, выход (N/2 + 1)-го, (N/2 + 2)-го, ..., N-ro триггеров управления подключен к второму управляющему входу , соответственно первого, второго , ..., N/2-го силовых каналов.

а LllXLELri П П П П П П П П

Изобретение относится к вторичным источникам питания радиоаппаратуры. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей многофазного импульсного стабилизатора. Изменение, напряжения на нагрузке 3 при воздействии какоголибо возмзлцшощего воздействия приводит к изменению уровня напряжения на входе схемы 15 сравнения и к соответствующему изменению сигнала на выходе широтно-импульсного модулятора 1 1 и селектора 22. В пульае изменяются (сдвигаются) во времени сигналы на выходах универсального регистра 12 сдвига, воспроизводящего перепад широтно-модулированного сигнала, и длительность сигналов на выходе триггеров 17 управления, а силовая преобразовательная ячейка 2 изменяет энергию, передаваемую в S нагрузку 3. Эти изменения происходят за счет использования отрицательной обратной связи и направлены на компенсацию возмущающих воздействий. 2 ил.