СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
DC VOLTAGE STABILIZER

Изобретение относится к стабилизированным источникам вторичного питания и может быть использовано для питания различных радиотехнических устройств.
Известен импульсный стабилизатор постоянного напряжения, содержащий регулирующий транзистор, выходной LDC-фильтр, дополнительный источник питания, где повышение надежности и уменьшение массогабаритных показателей достигается за счет уменьшения числа элементов схемы, введения генератора коротких отрицательных импульсов и дополнительных транзисторов в цепь управления [1].
Устройство, реализующее известный способ, содержит (фиг. 1) регулирующий МДП-транзистор (1), LDC-фильтр (2), дополнительный источник питания (3) с отрицательным напряжением относительно положительного входного вывода, генератор коротких отрицательных импульсов (4), RC-цепь (5), р-n-р-транзистор (6), конденсатор (7), триггер Шмитта (8), драйвер (9), источник опорного напряжения (10), дифференциальный усилитель (11), делитель выходного напряжения (12).
Недостатками известного устройства являются большие потери на дополнительных транзисторах, установленных в цепи управления регулирующего элемента (МДП-транзистор), низкая надежность в режимах короткого замыкания со стороны выходов или в начальный момент времени при подаче входного напряжения, плохая термостабильность источника опорного напряжения, узкий диапазон входных напряжений и большой ток внутреннего потребления.
Целью изобретения является повышение надежности введением схемы защиты от коротких замыканий выходов или в момент подключения источника входного напряжения; повышение качества стабилизации посредством применения термостабильного источника опорного напряжения; снижение потерь мощности уменьшением выходного тока драйвера и расширение диапазона входных напряжений при помощи вольтдобавки в схеме управления между затвором и стоком регулирующего МДП-транзистора.
Поставленная цель достигается тем, что в стабилизаторе постоянного напряжения, подключаемом к источнику входного напряжения постоянного тока, содержащем регулирующий транзистор, LDC-фильтр, дополнительный источник питания, триггер Шмитта, драйвер, источник опорного напряжения, дифференциальный усилитель и делитель выходного напряжения, согласно изобретению новым является то, что введен дополнительный транзистор, обеспечивающий блокировку подачи сигналов управления на регулирующий транзистор, что обеспечивает его защиту от высоких уровней токов, которые возникают при коротком замыкании выходов или в начальный момент времени при подаче входного напряжения, когда выходные фильтрующие емкости не заряжены. Для надежного отпирания регулирующего МДП-транзистора при низких уровнях входного напряжения предусмотрена схема затворной вольтдобавки драйвера в виде конденсаторов и диодов. Необходимость введения вольтдобавки обусловлена пороговым напряжением n-канального регулирующего транзистора, которое больше двух вольт, и падением напряжения в канале от протекания тока. Для обеспечения затворной вольтдобавки исключено соединение вывода питания драйвера со стоком регулирующего транзистора.
Точность стабилизации выходного напряжения зависит от совокупности погрешностей источника опорного напряжения, делителя выходного напряжения, резисторов в цепи обратной связи и напряжения смещения усилителя обратной связи. Для уменьшения динамической температурной нестабильности в источник опорного напряжения введено токовое зеркало, которое устанавливает и поддерживает ток стабилитрона.
Для расширения рабочего диапазона входных напряжений максимальный коэффициент заполнения импульсов управления должен быть не менее 0.95, что обеспечивает интервал для заряда конденсаторов вольтдобавки. Компараторы напряжения с внешними резисторами в генераторе пилообразного напряжения задают амплитудные границы пилы.
CT
На фиг. 2 представлена функциональная схема описываемого стабилизатора постоянного напряжения. Стабилизатор состоит из блока 13 защиты по току силового МДП-транзистора 1, содержащего биполярный р-n-р-транзистор 14, датчика тока 15, резисторного делителя напряжения 16, 17, логического элемента "ИЛИ" 18. При превышении предельного значения тока напряжением на базе транзистор 14 открывается, на резисторном делителе 16, 17 образуется напряжение, которое блокирует подачу управляющих сигналов на затвор МДП-транзистора 1. В драйвере 9 предусмотрена схема вольтдобавки для надежного отпирания МДП-транзистора 1 при низких входных напряжениях в виде умножителя напряжения, выполненного на диодах 19, 20 и конденсаторах 21, 22. Генератор пилообразного напряжения 23 содержит компараторы напряжения 24, 25, которые задают амплитуду пилообразного напряжения посредством делителя напряжения на резисторах 26, 27 и 28. Временные характеристики задаются элементами: резистор 29 - время нарастания, резистор 30 - время спада пилообразного напряжения; конденсатор 31 - период пилообразного напряжения. Полевой транзистор 32 должен иметь достаточный ток и крутизну передаточной характеристики для обеспечения максимального значения коэффициента заполнения импульсов управления, тогда соотношение резисторов 29 и 30 задает максимальное значение коэффициента заполнения импульсов. Источник опорного напряжения 10 содержит токовое зеркало, выполненное на элементах 33, 34, 35 и стабилитрон 36. Величина тока I регулируется резистором 35 (R) и рассчитывается согласно выражению:
ПОР
где U - пороговое напряжение МДП-транзистора 33.
Принцип работы схемы состоит в следующем: напряжение обратной связи, снимаемое с нижнего плеча делителя выходного напряжения 12, поступает на базу транзистора 37 дифференциального усилителя 11, на базу второго транзистора 38 подается опорное напряжение. С выхода усилителя 11 сигнал ошибки поступает на инверсный вход компаратора напряжения 39, на другой вход которого подается пилообразное напряжение. С выхода компаратора 39 широтно-модулированный сигнал передается на схему "И" 40, на другой вход которой поступает короткий запускающий импульс с выхода RS-триггера 41, который выполняет такую же функцию, как триггер Шмитта 8 на фиг. 1. По логической схеме "ИЛИ" 18 объединены широтно-модулированный сигнал и сигнал ограничения тока для защиты со стороны нагрузки. Дополнительный источник питания 3 является параметрическим стабилизатором напряжения и обеспечивает питание элементов схемы стабилизатора постоянного напряжения.
-8
Проверка функционирования импульсного стабилизатора постоянного напряжения (фиг. 2) проведена посредством моделирования в среде OrCAD [2] по разработанной математической модели, представленной на фиг. 3, и натурных испытаний в рамках выполнения ОКР по техническому заданию ФГУП «НЗПП с ОКБ». Результаты исследований показали, что ток потребления во всем рабочем диапазоне не превышает 18 мА, а в ждущем режиме - не более 4,5 мА, максимальный ток утечки ключей составляет 150 мкА, частота преобразования составляет 280 кГц. По результатам проведенных испытаний интенсивность отказов составляет λ=0,8⋅10. Следовательно, наработка до отказа составит не менее 170000 ч, что говорит о высокой надежности устройства.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент РФ №2450315, G05F 1/56. Импульсный стабилизатор постоянного напряжения, П.В Михеев, Е.П. Кузуб, 2012.
2. Болотовский, Ю.И. OrCAD Моделирование. - М.: СОЛОН-Пресс, 2009. - 254 с.