УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ОБРАТНОХОДОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
CONTROL DEVICE FOR FLYBACK CONVERTER

Изобретение относится к области электротехники, а точнее к устройствам контроля состояния выходов изолированных обратноходовых преобразователей напряжения (ОХП), подключаемых к нагрузке с большим емкостным сопротивлением.
В настоящее время одной из самых распространенных схем, по которым строятся сетевые и DC-DC преобразователи напряжения, является обратноходовой преобразователь напряжения (ОХП). Относительно малое число компонентов, гибкость применения в широких диапазонах входных напряжений и выходных токов, возможность легко наращивать число выходных каналов делают эту топологию привлекательной для исполнения.
В промышленных источниках питания управление обратноходовым преобразователем напряжения, как правило, осуществляется на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ),
Для управления преобразователями напряжения используются специализированные микросхемы, ШИМ-контроллеры, в состав которых, как правило, входят генератор тактовой частоты, источник опорного напряжения, усилитель ошибки, компаратор с RS-защелкой и выходной драйвер.
При выборе подходящего для применения контроллера особое внимание следует обращать на логику автомата состояний, особенно на логику отработки аварийных ситуаций. Переход в аварийный режим при обнаружении критических ситуаций может предусматривать как принудительное ограничение тока, так и полную блокировку работы преобразователя. При блокировке останавливается задающий ШИМ-генератор и запрещается подача активного сигнала для силового транзистора. В зависимости от типа или модификаций микросхем возможны два сценария блокировки.
В первом случае после срабатывания блокировки преобразователь «защелкивается» в этом состоянии и не меняет его, даже если условие, вызвавшее это состояние, уже пропало. Восстановление работы преобразователя возможно лишь после выключения и повторного включения питания.
Во втором случае реализуются попытки автовосстановления нормальной работы преобразователя. Для этого в структуре контроллера запускается таймер на определенное время. После истечения этого времени контроллер вновь проверяет наличие критических ситуаций, и если они сохраняются, блокировка остается.
Известны система и метод контроля преобразователя напряжения («Control system for a voltage converter and method», патент US 7738265, H02M 3/335, приоритет от 28.08.2006 г.).
В данном устройстве схема контроля обеспечивает работоспособность при заряде выходных емкостных нагрузок за счет анализа выходного напряжения по напряжению на первичной обмотке трансформатора 11. Напряжение оценивается в каждом такте. Выходной сигнал с компаратора 61 уменьшает длительность управляющего импульса ST, что приводит к ограничению по мощности на выходе в режиме начального заряда емкости. Выходной сигнал с компаратора 71 выключает управляющий импульс ST в начале каждого такта при обнаружении режима короткого замыкания на выходе. Т.о. из-за управляющего воздействия компараторов 61 и 71 требуется специализированный ШИМ-контроллер, соответствующий подобной схеме управления.
Известно устройство, патент US 5841643 «Method and apparatus for isolated flyback regulator control and load compensation» с приоритетом от 01.10.1997, H02M 3/24, H02M 3/335.
Данное устройство осуществляет контроль состояния выхода обратноходового преобразователя по результатам анализа напряжения на первичной обмотке. Напряжение оценивается в каждом такте, за счет этого происходит либо ШИМ управляющих сигналов силового транзистора, либо его выключение при превышении выходного тока или уменьшении выходного напряжения и требуется специализированный ШИМ-контроллер, соответствующий подобной схеме управления.
Известно устройство заряда выходной емкости, патент US 7787262 «Capacitor charging methods and apparatus» с приоритетом от 19.12.2006 г., H02M 3/335 для зарядки фотовспышки.
В данном устройстве контроль состояния выхода обратноходового преобразователя производится по результатам анализа напряжения на первичной обмотке, где напряжение оценивается в каждый такт и при снижении значения меньше определенного порога начинают формироваться дополнительные импульсы ШИМ управляющих сигналов силового транзистора для обеспечения заряда выходного конденсатора, что приводит к увеличению частоты преобразования и требуется специализированный ШИМ-контроллер, соответствующий подобной схеме управления.
Известны устройства и методы зарядки емкости («Capacitor charging methods and apparatus», патент US 7646616, H02M 3/335, приоритет от 09 мая 2005 г.) для зарядки фотовспышки.
Показаны способы и устройства, позволяющие анализировать нагрузку в каждом такте ШИМ преобразования и при снижении значения меньше определенного порога начинают формироваться дополнительные импульсы ШИМ управляющих сигналов силового транзистора для обеспечения заряда выходного конденсатора, что приводит к увеличению частоты преобразования и требуется специализированный ШИМ-контроллер, соответствующий подобной схеме управления.
Общими недостатками всех приведенных выше устройств являются:
- преобразователь в режиме КЗ по выходу может находиться неограниченное время и неэффективно использует электроэнергию;
- для работы преобразователя на большую выходную емкость требуется специализированный ШИМ-контроллер, соответствующий вышеуказанным схемам управления;
- не анализируется обрыв обратной связи по напряжению.
Подобные решения нельзя применять к ранее разработанным микросхемам.
Целью данного изобретения является обеспечение защиты неспециализированного ОХП с ШИМ-контроллером при работе на значительные величины емкости в нагрузке или работа на энергоемкие нагрузки (электродвигатели постоянного тока), приводящие к значительному превышению выходного тока или выходного напряжения
Использование информации о выходном напряжении, полученном на стороне первичной обмотки трансформатора для обеспечения защиты ОХП:
- при возникновении на выходе режима короткого замыкания;
- при возрастании выходного напряжения выше заданного максимума.
Технический результат достигается за счет того, что устройство контроля ОХП (фиг.1), включающее: источник контролируемого сигнала 1, включающий: трансформатор изолированного ОХП 13, диод 11, нагрузку во вторичной цепи 15 и ключевой элемент 14, причем: один вывод ключевого элемента 14 соединен с анодом первого диода 11, катод которого соединен с входом сумматора 21, и одним выводом первичной обмотки трансформатора 13, которая другим выводом соединена с шиной питания Vin; второй вывод ключевого элемента 14 соединен с общей шиной со стороны первичной обмотки трансформатора 13; третий вывод ключевого элемента 14 соединен с выходом управляющего устройства 12; вторичная обмотка трансформатора 13 соединена через вторичную цепь с нагрузкой 15; сумматор 21 сигналов входного напряжения Vin и напряжения на первичной обмотке выходного трансформатора Vsn; измеритель 22, соединенный с выходом сумматора 21, и генератор выключающего импульса 23, имеющий два входа с измерителя 22 с сигналами ON1 и ON2 и выход с сигналом ON/OFF, соединенный с входом управляющего устройства 12.
Для описания работы устройства используем типовую схему ОХП с включенной в нее схемой контроля (фиг.2).
В предпочтительном варианте типовая схема ОХП включает источник контролируемого сигнала 1, содержащий: разделительный трансформатор 13, ключевой элемент 14, включенный одним выводом к первичной обмотке трансформатора 13, а другой выводом к общей шине, устройство управления 12, соединенное выходом с третьим выводом ключевого элемента 14, а входом с выходом устройства контроля 2, один диод 11, соединенный анодом с общей точкой соединения трансформатора 13 и одним выводом ключевого элемента 14, а катодом с одним входом схемы контроля 2, вторичную обмотку трансформатора 13, соединенную с анодом второго диода 17, катод которого соединен с одним выводом конденсатора 16, другой вывод которого соединен с общей шиной, и одним выводом нагрузки 15, представляющую собой, например, двигатель постоянного тока или конденсатор большой емкости, другой вывод которой соединен с общей шиной.
В предпочтительном варианте изобретения устройство контроля 2 содержит: сумматор 21, который включает: первый резистор 24, к одному выводу которого подключены: один вывод второго резистора 25, подключенного другим выводом к положительной шине входного напряжения Vin; один вывод первого конденсатора 26, подключенного другим выводом к положительной шине входного напряжения Vin; анод первого диода 27, к катоду которого подключены: один вывод второго конденсатора 28, соединенного вторым выводом с положительной шиной входного напряжения Vin; один вывод резистора 34, вторым выводом подключенный к эмиттеру транзистора 33; анод второго диода 32, к катоду которого подключен анод диода 31, катод которого подключен к одному выводу резистора 30, ко второму выводу которого подключены: один вывод резистора 29, второй вывод которого подключен к положительной шине входного напряжения Vin; база транзистора 33, коллектор которого подключен к входу схемы измерителя 22; измеритель 22, включающий: делитель напряжения, выполненный из трех последовательно включенных резисторов 35, 36, 37, расположенных между выходом сумматора 21 и общей шиной преобразователя напряжения на стороне первичной обмотки трансформатора 13; один компаратор напряжений 38, причем его прямой вход подключен к общей точке первого 35 и второго 36 резисторов, инверсный вход подключен к источнику опорного напряжения 40, а выход подключен к одному входу генератора выключающего импульса 23; другой компаратор напряжений 39, причем его инверсный вход подключен к общей точке второго 36 и третьего 37 резисторов, прямой вход подключен к источнику опорного напряжения 40, а выход подключен к другому входу генератора выключающего импульса 23; соединенный выходом с входом устройства управления 12.
Несмотря на то что данная схемная реализация сумматора известна из уровня техники, и так же известно использование положительного уровня питающего напряжения в качестве «нулевой» шины, совокупность всех этих признаков для текущего уровня техники неизвестна и позволяет:
- обрабатывать сигналы большой величины без нелинейных искажений;
- повысить быстродействие устройства контроля ОХП;
- отказаться в схеме выделения измеряемого сигнала от использования нелинейных элементов, например компараторов, которые замедляют процесс обработки сигнала, требуют дополнительного источника питания и занимают место на плате.
Устройство контроля ОХП, с ключевым элементом в виде полевого транзистора, в предпочтительном варианте изобретения работает следующим образом.
Во время обратного хода ОХП на стоке транзистора 14 формируется контролируемое напряжение
Vin - входное напряжение преобразователя;
Vout - выходное напряжение преобразователя (напряжение на вторичной обмотке трансформатора);
Nps - коэффициент трансформации трансформатора 13.
Величина этого напряжения определяется относительно общей шины стороны первичной обмотки трансформатора 13 ОХП.
Напряжение Vsn со стока транзистора 14 поступает на вход сумматора 21, где происходит его интегрирование, детектирование и преобразование в токовый измерительный сигнал Vs.
На входном резисторном делителе (24, 25) формируется напряжение
Это напряжение масштабируется в разностное напряжение Vs, прямо пропорциональное разности напряжений
где k - коэффициент деления резисторов 24, 25.
Так как Vin используется в качестве шины отсчета напряжения, то на делителе масштабируется сигнал, пропорциональный Vout / Nps
Для уменьшения погрешности из-за выброса в момент закрытия транзистора используется интегрирующая цепь (резистор 24, конденсатор 26). Сглаженное таким образом разностное напряжение Vs поступает на пиковый детектор (диод 27, конденсатор 28), выходное напряжение с которого поступает на генератор тока (диоды 31, 32, резисторы 29, 30, 34, транзистор 33). Далее, токовый измерительный сигнал Vs поступает на вход схемы измерителя 22.
Схема измерителя 22 выполнена в виде троичного компаратора без обратной связи и включает: формирующий напряжение Vs, пропорциональное выходному напряжению ОХП делитель напряжения (резисторы 35, 36, 37), с которого снимаются два напряжения сравнения Vmin и Vmax; два двоичных компаратора 38, 39, имеющих общий опорный уровень Vref c генератора 40.
Если входной сигнал Vs имеет значение, лежащее в заранее определенном диапазоне напряжений между максимально и минимально возможными значениями напряжения Vs_max и Vs_min (Vs_max≥Vs≥Vs_min), то ОХП работает в нормальном режиме и управление его работой осуществляется любым известным способом. Форма импульса напряжения на стоке транзистора 14 имеет следующий вид (фиг.3). В этом случае соблюдается условие Vmin>Vref>Vmax и на выходах компараторов 38 и 39 нет сигнала включения генератора выключающего импульса 23. И в этом случае на выходе генератора 23 сигнал ON, разрешающий работу устройства управления 12.
Если значение Vs меньше минимального значения напряжения Vs_min (Vs<Vs_min), то преобразователь работает в аварийном режиме короткого замыкания. При этом форма импульса напряжения на стоке транзистора 14 соответствует следующему виду (фиг.4). В этом случае входной сигнал Vmin на неинверсном входе компаратора 38 становится меньше Vref (Vmin<Vref) и на выходе компаратора 38 появится сигнал ON1. Этот сигнал запустит генератор 23, который через заранее определенный период времени t1, необходимый для заряда емкостной нагрузки, выдаст сигнал OFF, запрещающий работу устройства управления 12 и преобразователь будет отключен на заранее определенный интервал времени t2, необходимый для восстановления ОХП. По окончании временного интервала t2, генератор 23 вновь выдает сигнал разрешения работы устройства управления 12 - ON, включает преобразователь и снова оценивает напряжение Vmin. Если условие Vmin<Vref все еще соблюдается (т.е. Vs<Vs_min), то циклограмма повторяется до момента исчезновения короткого замыкания, т.е. до тех пор, пока не станет соблюдаться условие нормального режима работы преобразователя.
Если значение Vs больше заранее определенного максимально допустимого значения выходного напряжения, то в преобразователе возникает аварийный режим перенапряжения, который может быть вызван, как правило, обрывом обратной связи по напряжению. В этом случае форма импульса напряжения на стоке транзистора 14 выглядит следующим образом (фиг.5). При этом Vout становится больше определенного заранее верхнего порогового значения выходного напряжения. В этом случае входной сигнал Vmax, подаваемый на инверсный вход компаратора 39, окажется больше Vref (Vref<Vmax). В этом случае, компаратор 39 подаст сигнал ON2 для запуска генератора выключающего импульса 23, который выдаст сигнал запрета работы устройства управления 12-OFF, и отключит преобразователь сразу после поступления этого сигнала, без задержки на время t1. Через заранее рассчитанное время t2 снова оценивается напряжение Vmax. Если условие Vmax больше Vref соблюдается (Vref<Vmax), то циклограмма повторяется до момента исчезновения перенапряжения, т.е. до тех пор, пока не станет соблюдаться условие нормального режима работы преобразователя.
Одним из преимуществ данного изобретения является его универсальность, т.е. его можно использовать в любом ОХП с устройством управления (например, в виде ШИМ-контроллера) при его работе на значительные величины емкости в нагрузке или работе на энергоемкие нагрузки (электродвигатели постоянного тока), приводящие к значительному превышению выходного тока без использования специализированных устройств управления.