СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
STABILISED DC VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам стабилизации напряжения.
Известен стабилизированный преобразователь постоянного напряжения (Применение IGBT-приборов фирмы Motorola в импульсных сетевых адаптерах/Компоненты и технологии №3, 2000 г., стр.44-45, рис.4), содержащий источник постоянного напряжения, между первым и вторым выводами которого включен параметрический стабилизатор напряжения, выход которого подключен к первому выводу питания триггера Шмитта, второй вывод питания которого подключен ко второму выводу источника постоянного напряжения, а инверсный выход через последовательно соединенные первые резистор и конденсатор непосредственно соединен с входом управления ключа. Первый вывод ключа соединен со вторым выводом источника постоянного напряжения через второй резистор, второй вывод ключа - с первым выводом источника постоянного напряжения через первичную обмотку импульсного трансформатора, содержащего вторичную обмотку, которая через последовательно соединенные однополупериодный выпрямитель и фильтр подключена к нагрузке. Преобразователь содержит также два диода, интегрирующую RC-цепь, стабилитрон, с третьего по шестой резисторы, регулирующее устройство на микросхеме, диодно-транзисторный оптрон гальванической развязки, тиристор. Точка соединения первых резистора и конденсатора подключена к входу триггера Шмитта, вывод вторичной обмотки через диод подключен к интегрирующей RC-цепи, выход которой подключен к параллельно соединенным стабилитрону и первым управляющим входам регулирующего устройства. Нагрузка подключена через последовательно соединенные третий и четвертый резисторы к другому управляющему входу регулирующего устройства. Выходы регулирующего устройства подключены к диодному входу диодно-транзисторного оптрона гальванической развязки, коллекторный выход которого соединен с выходом параметрического стабилизатора напряжения, эмиттерный выход подключен к входу тиристора, подключенному к интегрирующему конденсатору и через пятый резистор к выводу второго резистора. Выход тиристора подключен к управляющему входу ключа, шестой резистор подключен к третьему управляющему входу регулирующего устройства на микросхеме.
Достоинством описанного преобразователя является гальваническая развязка источника постоянного напряжения от единственной вторичной цепи за счет диодно-транзисторного оптрона.
Недостатками данного устройства являются:
1) Сложность из-за большого количества радиоэлементов таких, как тиристор, диодно-транзисторный оптрон гальванической развязки, регулирующее устройство на микросхеме, резисторы; большое число оптронов и регулирующих устройств на микросхемах при стабилизации нескольких вторичных входных напряжений вследствие подключения каждого из оптронов и регулирующих устройств к соответствующей вторичной обмотке.
2) Нестабильность в широком диапазоне входных напряжений и температур окружающей среды из-за нестабильного тиристора и работы в режиме частотно-импульсной (ЧИМ) модуляции.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по совокупности существенных признаков является стабилизированный преобразователь постоянного напряжения (патент РФ №2314626, приоритет от 14.08.2006 г. «Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения». Авторы Гутников А.И., Можайченко В.Г., МПК: Н02М 3/335, опубликовано 10.01.2008 г., БИ №1,), содержащий источник постоянного напряжения, между первым и вторым выводами которого включен параметрический стабилизатор напряжения, выход которого подключен к первому выводу питания триггера Шмитта, второй вывод питания которого подключен ко второму выводу источника постоянного напряжения. Вход триггера Шмитта подключен к первому выводу первого резистора и аноду стабилитрона, а инверсный выход триггера Шмитта - к первым выводам второго резистора и третьего резистора, второй вывод которого соединен со вторым выводом первого резистора и через первый конденсатор со вторым выводом источника постоянного напряжения. Вход управления ключа подключен к инверсному выходу триггера Шмитта, первый вывод ключа - ко второму выводу источника постоянного напряжения, второй вывод ключа - к первому выводу источника постоянного напряжения через первичную обмотку импульсного трансформатора, содержащего n первых вторичных обмоток (где n=1, 2, …), каждая из которых через последовательно соединенные соответствующие выпрямитель и фильтр подключена к соответствующей нагрузке, и вторую вторичную обмотку, первый вывод которой непосредственно подключен ко второму выводу источника постоянного напряжения, второй вывод подключен к аноду диода, катод которого подключен к первому выводу резистора и через конденсатор ко второму выводу источника постоянного напряжения. Катод диода подключен ко второму выводу резистора, а анод - к точке соединения резистора, конденсатора и резистора, анод диода подключен ко второму выводу резистора, а катод - к катоду стабилитрона. Выводы резистора соединены с катодом диода и вторым выводом источника постоянного напряжения соответственно.
Недостатком данного устройства является недостаточная стабильность выходного напряжения в широком диапазоне изменения входного напряжения и воздействии температуры окружающей среды из-за основного режима ЧИМ модуляции, использования импульсных стабилитронов с изначально нестабильным напряжением стабилизации при изготовлении и последующем старении, наличие цепи стабилизации выходного напряжения только по цепи индуктивной обратной связи и отсутствия дополнительной цепи стабилизации выходного напряжения по входному воздействию (входному напряжению).
Технические результаты, на достижение которых направлено изобретение, заключаются в повышении стабильности выходного напряжения на нагрузке в более широком диапазоне входных напряжении и температур окружающей среды, а также обеспечении защиты от тока короткого замыкания в нагрузке как переключающего транзистора с каналом n-типа, так и источника постоянного напряжения.
Данные технические результаты достигаются тем, что в стабилизированном преобразователе постоянного напряжения, содержащем источник постоянного напряжения, между первым и вторым выводами которого включен параметрический стабилизатор напряжения, выход которого подключен к первому выводу питания триггера Шмитта, второй вывод питания которого подключен ко второму выводу источника постоянного напряжения, а инверсный выход соединен с первым выводом первого резистора и через второй резистор с катодом первого диода, анод которого соединен со вторым выводом первого резистора и через первый конденсатор со вторым выводом источника постоянного напряжения, первый выход ключа через первичную обмотку импульсного трансформатора подключен к первому выводу источника постоянного напряжения, n первых вторичных обмоток импульсного трансформатора (где n=1, 2, …), каждая из которых через последовательно соединенные соответствующие выпрямитель и фильтр подключена к соответствующей нагрузке, и вторую вторичную обмотку импульсного трансформатора, первый вывод которой подключен ко второму выводу источника постоянного напряжения, а второй вывод соединен с анодом второго диода, катод которого соединен с входом первой параллельной RC-цепи, третий диод, третий и четвертый резисторы, новым является то, что дополнительно введены клемма напряжения ограничения, вторая параллельная RC-цепь, первый и второй дифференциальные компараторы напряжения, второй конденсатор, четвертый, пятый и шестой диоды, пятый и шестой резисторы, интегрирующая RC-цепь, вход которой соединен с инверсным выходом триггера Шмитта, вход которого соединен с анодом первого диода, выход интегрирующей RC-цепи соединен с инвертирующим входом первого дифференциального компаратора напряжения (ДКН), выход которого соединен через последовательно соединенные третий и четвертый резисторы с первым выводом источника постоянного напряжения и с входом ключа, второй выход которого соединен через вторую параллельную RC-цепь со вторым выводом источника постоянного напряжения и с неинвертирующим входом второго ДКН, инвертирующий вход которого подключен к клемме напряжения ограничения, а выход соединен с катодом третьего диода, анод которого через пятый резистор соединен с выходом первой параллельной RC-цепи, точкой соединения третьего и четвертого резисторов, неинвертирующим входом первого ДКН и анодом четвертого диода, катод которого соединен с выходом параметрического стабилизатора напряжения, первым выводом шестого резистора и анодом пятого диода, катод которого соединен с входом первой параллельной RC-цепи, второй вывод второй вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с анодом шестого диода, катод которого соединен со вторым выводом шестого резистора и через второй конденсатор со вторым выводом источника постоянного напряжения, который соединен через третий конденсатор с катодом второго диода, при этом ключ выполнен на логическом элементе НЕ, вход которого является входом ключа, а выход соединен с затвором переключающего МОП-транзистора с n-каналом, сток которого является первым выходом ключа, а исток - вторым выходом ключа.
Указанная совокупность признаков обеспечивает более высокую стабильность выходного напряжения на нагрузке в расширенном диапазоне напряжений нестабильного источника постоянного напряжения и в расширенном диапазоне температур, а также защиту от токов короткого замыкания в нагрузке переключающего МОП-транзистора с каналом n-типа и источника постоянного напряжения (аккумулятора) за счет введения стабильной цепи ШИМ модуляции на первом ДКН, управляемой как по цепи индуктивной, термокомпенсируемой парными пятым и третьим диодами и равными резисторами (пятый резистор и резистор первой параллельной RC-цепи), обратной связи, так и по входному воздействию за счет четвертого резистора, подключенного к нестабильному источнику постоянного напряжения и управляющему входу ШИМ модуляции (неинвертирующему входу первого ДКН). Защита от короткого замыкания обеспечивается вторым ДКН, выход которого подключен к третьему диоду (диод отключения обратной связи), а неинвертирующий и инвертирующий входы - ко второй параллельной RC-цепи и клемме напряжения ограничения соответственно.
На фиг.1 приведена структурная схема стабилизированного преобразователя постоянного напряжения, на фиг.2 - временные диаграммы его работы.
Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения (фиг.1) содержит источник 1 постоянного напряжения, между первым и вторым выводами которого включен параметрический стабилизатор 2 напряжения, триггер Шмитта 3, интегрирующую RC-цепь 4, ключ 5, импульсный трансформатор 6, первый 7 и второй 8 дифференциальные компараторы напряжения, первая 9 и вторая 10 параллельные RC-цепи, первый 11, второй 12 и третий 13 конденсаторы, первый 14, второй 15, третий 16, четвертый 17, пятый 18 и шестой 19 диоды, первый 20, второй 21, третий 22, четвертый 23, пятый 24 и шестой 25 резисторы и клемму 26 напряжения ограничения.
Импульсный трансформатор 6 включает первичную обмотку 27, n первых вторичных обмоток 28, где n=1, 2…, и вторую вторичную обмотку 29. Каждая из n первых вторичных обмоток 28 через последовательно соединенные соответствующие выпрямитель 30 и фильтр 31 подключена к соответствующей нагрузке 32.
Выход параметрического стабилизатора 2 напряжения подключен к первому выводу питания триггера Шмитта 3, второй вывод питания которого подключен ко второму выводу источника 1 постоянного напряжения. Инверсный выход триггера Шмитта 3 соединен с первым выводом первого резистора 20 и через второй резистор 21 с катодом первого диода 14, анод которого соединен со вторым выводом первого резистора 20 и через первый конденсатор 11 со вторым выводом источника 1 постоянного напряжения. Первый выход ключа 5 через первичную обмотку 27 импульсного трансформатора 6 подключен к первому выводу источника 1 постоянного напряжения. Первый вывод второй вторичной обмотки 29 импульсного трансформатора 6 подключен ко второму выводу источника 1 постоянного напряжения, а второй вывод соединен с анодом второго диода 15, катод которого соединен с входом первой параллельной RC-цепи 9. Вход интегрирующей RC-цепь 4 соединен с инверсным выходом триггера Шмитта 3, вход которого соединен с анодом первого диода 14. Выход интегрирующей RC-цепи 4 соединен с инвертирующим входом первого ДКН 7, выход которого соединен через последовательно соединенные третий 22 и четвертый 23 резисторы с первым выводом источника 1 постоянного напряжения и с входом ключа 5. Второй выход ключа 5 соединен через вторую параллельную RC-цепь 10 со вторым выводом источника 1 постоянного напряжения и с неинвертирующим входом второго ДКН 8. Инвертирующий вход второго ДКН 8 подключен к клемме 26 напряжения ограничения, а выход соединен с катодом третьего диода 16. Анод третьего диода 16 через пятый резистор 24 соединен с выходом первой параллельной RC-цепи 9, точкой соединения третьего 22 и четвертого 23 резисторов, неинвертирующим входом первого ДКН 7 и анодом четвертого диода 17. Катод четвертого диода 17 соединен с выходом параметрического стабилизатора 2 напряжения, первым выводом шестого резистора 25 и анодом пятого диода 18, катод которого соединен с входом первой параллельной RC-цепи 9. Второй вывод второй вторичной обмотки 29 импульсного трансформатора 6 соединен с анодом шестого диода 19, катод которого соединен со вторым выводом шестого резистора 25 и через второй конденсатор 12 со вторым выводом источника 1 постоянного напряжения, который соединен через третий конденсатор 13 с катодом второго диода 15.
Ключ 5 выполнен на логическом элементе НЕ 33, выход которого является входом ключа 5, а выход соединен с затвором переключающего МОП-транзистора 34 с n-каналом, сток которого является первым выходом ключа 5, а исток - вторым выходом ключа 5.
В макете стабилизированного преобразователя постоянного напряжения применена серийная микросхема триггера Шмитта типа 1564ТЛ2 или 1526ТЛ1, параметрический стабилизатор 2 напряжения выполнен на резисторе и опорном стабилитроне 2С156B с фильтрующим конденсатором (на фиг.1 не показан). Силовая часть ключа 5 выполнена на переключающем МОП-транзисторе 34 с каналом n-типа (2П762А). При напряжениях источника 1 постоянного напряжения выше 90 B переключающий МОП-транзистор выполнен на БТИ3-транзисторе (MMG05N60D) или других структурах. Управляющая часть ключа 5 (логический элемент НЕ 33) выполнена на трех остальных элементах микросхемы 1564ТЛ2 (или 1526ТЛ1), соединенных параллельно к затвору транзистора 2П762А. В схеме ШИМ модуляции и схеме защиты от короткого замыкания использована микросхема счетверенного ДКН 7 типа 1401СА1 (или 521CA3) с дополнительным резистором на открытом коллекторном выходе, подключенном к выходу параметрического стабилизатора 2 напряжения, или микросхема счетверенного скоростного операционного усилителя 544УД14 без дополнительного резистора.
Импульсный трансформатор 6 выполнен на сердечнике из пермаллоя МП 140. Источник 1 постоянного напряжения - аккумуляторы с выходными напряжениями от 20 до 90 B, выпрямитель 30 выполнен по однополупериодной схеме на диоде 2Д106, а диоды 14, 15, 17, 19 типа 2Д522Б. Парные диоды 18 и 16 типа 2ДС523. Остальные резисторы типа Р1-16, конденсаторы типа К53-16 и К10-43 В. Напряжение ограничения равное 0,3 B на клемме 26 получено с помощью резистивного делителя, подключенного к выходу параметрического стабилизатора 2 напряжения (на фиг.1 не показано).
Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения работает следующим образом.
При рассмотрении работы следует учесть, что в примере конкретного выполнения (фиг.1) представлена схема включения с трансформаторным выходом и цепью индуктивной стабилизирующей обратной связи с использованием регулирующей второй вторичной обмотки 29 с подключенными к ней элементами, вторая цепь стабилизирующей обратной связи выполнена на резисторе 23.
Такая схема необходима в преобразователях, где требуется гальваническая развязка и стабилизация нескольких выходных напряжений в широком диапазоне изменения напряжения источника 1 постоянного напряжения.
На фиг.2 представлены временные диаграммы, где:
3
U - напряжение на выходе триггера Шмитта 3, представляющее собой прямоугольное напряжение положительной полярности со скважностью, близкой к двойке, и амплитудой 5 B, стабилизированной параметрическим стабилизатором 2 напряжения;
4
U - напряжение на выходе интегрирующей RC-цепи 4, представляющее собой экспоненциальное напряжение, нарастающее практически до напряжения 5 B за время импульса триггера Шмитта 3;
33
U - напряжение на выходе логического элемента НЕ 33, длительность импульса на выходе которого равна длительности импульса на выходе первого ДКН 7, определяющего время протекания треугольного тока через переключающий МОП-транзистор 34 с каналом n-типа;
1
U - изменяющееся в широком диапазоне напряжение источника 1 постоянного напряжения, называемое далее входным напряжением.
1
4
4
Триггер Шмитта 3 с резисторами 21, 20, конденсатором 11 и диодом 14 образуют задающий генератор одной частоты с амплитудой 5,6 B, стабилизированным параметрическим стабилизатором 2 напряжения. Напряжение на источнике 1 постоянного напряжения изменяется в диапазоне от 20 до 90 B и более (см. U на фиг.2). В исходном состоянии второй ДКН 8 открыт и насыщен до 0,1 B за счет положительного напряжения ограничения 0,3 B с клеммы 26. Через пусковую цепь: диод 18 - резистор первой параллельной RC-цепи 9 (далее резистор 9, сопротивление которого равно сопротивлению резистору 24) - резистор 24 - диод 16 - насыщенный до 0,1 B выход второго ДКН 8 на неинвертирующий вход первого ДКН 7 подается напряжение, равное половине напряжения с выхода параметрического стабилизатора 2 напряжения, вследствие чего первый ДКН 7 периодически переключается (синхронно с импульсами триггера Шмитта 3) по совпадению уровней экспоненциального напряжения U на выходе интегрирующей RC-цепи 4 (см. U на фиг.2) и напряжения в цепи обратной связи. После накачки энергии в импульсный трансформатор 6, когда напряжение на обмотке обратной связи 29 увеличится, диод 18 запирается, стабилизация осуществляется через цепь обратной связи: диод 15 - резистор 9 - резистор 24 - диод 16 - насыщенный до 0,1 B выход ДКН 8.
33
1
4
Парные диоды 18 и 16 с равным температурными коэффициентами напряжения и резисторы 9 и 24 ведут термокомпенсацию стабилизированного напряжения. Прямоугольное напряжение с выхода триггера Шмитта 3 преобразуется в экспоненциальное напряжение (но не треугольное и не с дифференцирующей RC-цепи), важное для поддержания высокой стабильности выходного напряжения в нагрузке 32. Подобная форма напряжения обеспечивает высокую скорость изменения длительности импульса (длительности импульса широтно-импульсной (ШИМ) модуляции) вблизи вершины экспоненты. Другая цепь стабилизации по входному напряжению содержит: источник 1 постоянного напряжения - резистор 23 - резистор 24 - диод 16 - насыщенный выход ДКН 8, что еще более увеличивает стабилизацию за счет суммирующего действия (с выше описанной цепью индуктивной обратной связи), направленного на дальнейшее уменьшение длительности импульса при повышении входного напряжения (см. U на фиг.2 при U=90 B), а значит и длительности импульса тока в первичной обмотке импульсного трансформатора 6. Таким образом, обеспечивается стабилизация выходного напряжения на нагрузке 32 в широком диапазоне (от 20 до 90 B) изменения напряжения источника 1 постоянного напряжения. Диод 18 с резистором 9 и диод 16 с резистором 24 образуют парную термокомпенсирующую цепь для сохранения стабилизированного напряжения на нагрузке 32 в широком диапазоне температур окружающей среды. Резистор 22 обеспечивает гистерезис ДКН 7 для устойчивой работы ШИМ модуляции при помехах в выше описанных цепях управления. Этому же способствует и конденсатор параллельной RC-цепи 9. Интегрирующая параллельная RC-цепь 4 усредняет треугольные импульсы тока в истоке МОП-транзистора 34 и подает на инвертирующий вход ДКН 8. В случае короткого замыкания в нагрузке 32 усредненное напряжение вырастает выше 0,3 B заданного извне уровня напряжения ограничения на клемме 26, ДКН 8 закроется и диод 16 окажется запертым. При этом через резистор 9 с параметрического стабилизатора 2 напряжения и резистор 23 с источника 1 постоянного напряжения поступает повышенное напряжение, ограниченное диодом 17, большее максимального напряжения экспоненты (см. U на фиг.2), запирающее ДКН 7, и через логический элемент НЕ 33 выключает его логическим нулем МОП-транзистора 34. При снятии короткого замыкания в нагрузке 32 схема восстанавливается без дополнительного выключения питания. Логический элемент НЕ 33 обеспечивает работу МОП-транзистора 34, затвор которого имеет существенную емкостную составляющую. Чаще это такой же триггер Шмитта (серии 1564), как и триггер Шмитта 3, хорошо работающий на емкостную нагрузку затвора. Количество вторичных обмоток 28, выпрямителей 30, фильтров 31, нагрузок 32 увеличивается при необходимости до нужного числа. Для минимизации мощности, рассеиваемой параметрическим стабилизатором 2 напряжения в режиме высокого входного напряжения от 20 до 90 B, величина его выходного тока составляет малую часть, необходимую только для запуска триггера Шмитта 3. После запуска большая часть тока обеспечивается с выхода выпрямителя (диод 19, конденсатор 12), подключенного к низковольтной второй вторичной обмотке 29, выполняющей основную функцию не только стабилизации, но и дополнительную функцию закачки необходимого напряжения через ограничительный резистор 25 в цепь питания триггера Шмитта 3 и остальной слаботочной цепи управления.
Заявленное изобретение обеспечивает более высокую стабильность выходного напряжения на нагрузке 32 и конденсаторе 13 в расширенном диапазоне напряжений нестабильного источника 1 постоянного напряжения и в расширенном диапазоне температур, а также защиту от токов короткого замыкания в нагрузке 32 переключающего МОП-транзистора 34 с каналом n-типа и источника 1 постоянного напряжения (аккумулятора) из-за введения цепи стабильной ШИМ модуляции на первом ДКН 7, управляемого как по цепи индуктивной, термокомпенсируемой парными диодами 18, 16 и резисторами 9, 24 обратной связи, так и по входному воздействию за счет четвертого резистора 23, подключенного к нестабильному источнику 1 постоянного напряжения и управляющему (неинвертирующему входу первого ДКН 7) входу ШИМ модуляции. Защита от короткого замыкания обеспечивается вторым ДКН 8, выход которого, при коротком замыкании в нагрузке 32, переходит в состояние «выключено», что отключает диод 16 обратной связи при уровне напряжения на выходе второй параллельной RC-цепи 10 (инвертирующем входе второго ДКН 8) выше напряжения (заданного извне) на клемме 26 напряжения ограничения.
Кроме того, в отличие от наиболее близкого аналога, работающего в основном режиме ЧИМ модуляции, заявленное устройство работает в режиме 1ТТИМ модуляции, что обеспечивает меньшие пульсации, а значит и большую стабильность выходного напряжения. Устройство не содержит нестабильных импульсных стабилитронов ближайшего аналога. Для заявленного устройства достаточно параметрического стабилизатора 2 напряжения.
Начальное напряжение на нагрузке 32 может быть установлено подстройкой резистора 21 или 6, или резистора интегрирующей RC-цепи 4. При изменении входного напряжения от 20 до 90 B напряжение обратной связи на неинвертирующем входе первого ДКН 7 изменяется от 4,7 до 4,95 B, при этом без резистора 23 выходное напряжение на нагрузке 32 равно 12,8 B и изменяется на 10%, а с резистором 23 выходное напряжение на нагрузке 32 изменяется на 2,5%. В диапазоне температур от минус 40 до 50°C выходное напряжение на нагрузке 32 изменяется на 1%. Стабильность повышена в 4 раза. Полярность диода 14 зависит от исполнения триггера Шмитта: для микросхем серии 1564 полярность диода 14 указана на фиг.1, для микросхем серии 564 анод и катод меняют местами.