Стабилизированный ключевой преобразователь напряжения
STABILIZED KEY VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано в источниках вторичного электропитания с стабилизированным напряжением на нагрузке для телекоммуникационного оборудования и гидроакустической техники, в том числе для электропитания удаленных потребителей.
Известны разнотипные ключевые преобразователи напряжения (КПН) [1], выполненные на основе однотактных, полумостовых и мостовых схем ключевых усилителей мощности (КУМ). Наибольшее распространение в системах вторичного электропитания телекоммуникационной и гидроакустической аппаратуры получили однотактные КУМ, обеспечивающие преобразование нестабилизированного напряжения электропитания в стабилизированное вторичное напряжение без гальванической изоляции посредством последовательных схем КПН, например описанные в [2, 3]. Преимуществом КПН такого типа по сравнению с функционально сложными двухтактными и мостовыми схемами ключевого преобразования, в том числе с трансформаторной гальванической изоляцией, является относительная простота однотактных прямоходовых схем КПН при их высокой энергетической эффективности, что позволяет обеспечивать широкое применение в составе оконечных звеньев систем вторичного электропитания. Именно такие звенья КПН должны обеспечивать снабжение конечного потребителя стабилизированным напряжением электропитания.
В состав КПН такого типа входят однотактный КУМ, выходной фильтр нижних частот (ФНЧ) и широтно-импульсный модулятор (ШИМ). Для стабилизации выходного напряжения применяется цепь обратной связи (ОС) по напряжению с выхода ФНЧ и вычитающее устройство (ВУ) для формирования разностного сигнала.
Однако известные технические аналоги [2, 3] не обладают достаточной стабильностью выходного напряжения в силу ограничения глубины обратной связи по выходному напряжению. Обратная связь такого вида, как правило, берется с выхода фильтра нижних частот второго порядка, что существенно ограничивает глубину компенсации воздействия дестабилизирующих факторов.
КПН содержит LC-ФНЧ, включающий емкость нагрузки, параметры которой могут меняться в широких пределах. Глубина обратной связи с выхода LC-ФНЧ, как правило, не превышает 10-16 дБ, что является недостаточным для обеспечения требуемой стабильности выходного напряжения ±2% в условиях изменения нагрузки и входного напряжения электропитания в широких пределах.
Увеличить стабилизацию выходного напряжения КПН в условиях изменения напряжения электропитания позволяет введение обратной связи с входа фильтра нижних частот по импульсному напряжению КУМ, как ранее предлагалось в известных технических решениях [3]. Однако такой подход оказывается неэффективным в условиях изменения параметров нагрузки и не учитывает падения напряжения на дросселе ФНЧ, что препятствует его применению в КПН с повышенными требованиями к стабилизации выходного напряжения.
Улучшить характеристики стабилизации выходного напряжения позволяет КПН, описанный в [4], где предложено применение комбинированной ОС, включающее добавление к низкочастотной цепи ОС с выхода ФНЧ интегрированных переменных высокочастотных составляющих импульсного напряжения с выхода КУМ. Применение такой комбинированной обратной связи позволяет заметно повысить стабильность выходного напряжения, в том числе с учетом падения напряжения на дросселе ФНЧ при повышении глубины ОС до 16-20 дБ.
Известное устройство по количеству общих существенных признаков является наиболее близким к предлагаемому техническому решению и может быть принято в качестве прототипа к заявляемому стабилизированному КПН.
Устройство-прототип (фиг. 1) содержит ключевой усилитель 1 мощности (КУМ 1), фильтр 2 нижних частот (ФНЧ 2), широтно-импульсный модулятор 3 (ШИМ 3), цепь 4 обратной связи по напряжению (ОСН 4) с выхода ФНЧ 2 с добавлением высокочастотных составляющих обратной связи с выхода КУМ 1, вычитающее устройство 5 (ВУ 5).
oc
0
p
p
0
oc
п
ШИМ
н
н
Сигнал U с выхода цепи ОСН 4 поступает на один из входов ВУ 5, где вычитается из напряжения U, поступающего на другой его вход с шины опорного напряжения, при этом на выходе ШИМ 3 формируется разностный сигнал U. В результате сравнения разностного сигнала U=U-U с опорным пилообразным напряжением U в составе ШИМ 3 формируются импульсы V для управления КУМ 1. При этом на вход ФНЧ 2 поступает импульсное напряжение V, амплитуда которого определяется напряжением электропитания Е, а на выходе КПН формируется постоянное напряжение U. В рамках линейной модели КПН выходное напряжение U может быть определено из уравнения:
пм
ф
где , U - размах пилообразного напряжения, K - коэффициент передачи фильтра нижних частот.
Откуда запишем известное соотношение для КУМ, охваченного отрицательной ОС:
Собственно знаменатель выражения (2) определяет глубину F обратной связи и, соответственно, степень подавления дестабилизирующих факторов, определяющих нестабильность выходного напряжения КПН:
ф
На постоянном выходном токе коэффициент K передачи ФНЧ практически равен 1 за вычетом относительного падения напряжения на собственном сопротивлении дросселя L.
ф
При отрицательной ОС с выхода ФНЧ коэффициент передачи через LC-фильтр второго порядка  имеет фазовые характеристики весьма близкие к фазовому сдвигу на π, что в условиях комплексной составляющей K может приводить к возбуждению КПН и, соответственно, ограничивает глубину ОС [1]. Введение дополнительного сигнала отрицательной ОС по интегрированному импульсному напряжению позволяет несколько повысить предельную глубину и повысить стабильность выходного напряжения с учетом падения на дросселе ФНЧ, что выгодно отличает устройство-прототип от известных аналогов. Вместе с тем достигнутой степени подавления 16-20 дБ для подавления действия дестабилизирующих факторов, особенно имеющих динамический характер, в ряде случаев оказывается недостаточно. Кроме того в устройстве прототипе отсутствует возможность стабилизации напряжения электропитания на удаленной нагрузке, подключенной к выходу КПН через протяженный кабельный соединитель при изменении тока нагрузки.
Также к недостатку устройства-прототипа относится отсутствие защиты от режима перегрузки и режима включения на емкостную нагрузку, что приводит к существенному понижению надежности работы КПН. Выделенные недостатки устройства-прототипа, связанные с низкой стабильностью выходного напряжения и пониженной надежностью работы при изменении тока нагрузки, существенно ограничивают область его применения в системах электропитания телекоммуникационного и гидроакустического оборудования в условиях резких изменений токов потребления удаленных потребителей.
Задача изобретения - повышение стабильности выходного напряжения стабилизированного ключевого преобразователя напряжения при повышении надежности работы в условиях изменения тока нагрузки.
Для решения поставленной задачи в известное устройство, содержащее ключевой усилитель мощности, фильтр нижних частот, цепь обратной связи по напряжению, шину опорного напряжения, вычитающее устройство и широтно-импульсный модулятор, соединенный входом к выходу вычитающего устройства, а выходом к входу управления ключевого усилителя мощности, выводы электропитания которого подключены к соответствующим шинам электропитания, а выход фильтра нижних частот подключен к шинам нагрузки и входу обратной связи по напряжению, предлагается дополнительно ввести усилитель разностного сигнала, цепь обратной связи по току и датчик тока, подключенный выводами между выходами ключевого усилителя мощности и входами фильтра нижних частот, а выходом соединенный с входом цепи обратной связи по току, выход которой подключен к первому входу вычитающего устройства, второй вход которого соединен с выходом усилителя разностного сигнала, первый вход которого подключен к шине опорного напряжения, а второй вход - к выходу цепи обратной связи по напряжению, а также кабельный соединитель с известным проходным сопротивлением, причем усилитель разностного сигнала имеет дополнительный вход, соединенный с дополнительным выходом цепи обратной связи по току с коэффициентом передачи пропорциональным известному проходному сопротивлению кабельного соединителя, включенного в шины нагрузки.
Технический результат от применения новых признаков обеспечивает повышение стабильности выходного напряжения и достижение надежности работы при изменении выходного тока за счет повышения глубины обратной связи по напряжению при номинальных режимах работы и перехода к ограничению выходного тока в режимах перегрузки и включения устройства на емкостную нагрузку.
Это достигается путем введения усилителя 7 разностного сигнала, датчика тока и обратной связи по току, что позволяет существенно повысить подавление дестабилизирующих факторов в установившемся режиме при допустимом диапазоне изменения тока нагрузки, а также перейти к стабилизации тока в режимах перегрузки.
Дополнительно в предлагаемом устройстве реализуется параметрическая стабилизация напряжения электропитания потребителя, в том числе подключенного через протяженный кабельный соединитель с известным проходным сопротивлением за счет учета падения напряжения по постоянному току посредством дополнительного смещения сигнала опорного напряжения.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, фиг. 2, и фиг. 3, где представлены структурные схемы устройства прототипа (фиг. 1) и заявляемого КПН (фиг. 2), а также иллюстрация диаграмм сигналов, (фиг. 3) поясняющих особенности работы предлагаемого технического решения в режимах изменения напряжения электропитания (фиг. 3а), изменения выходного тока (фиг. 3б) и токовой перегрузки при заряде емкости нагрузки (фиг. 3в).
пн
На фиг. 3 введены следующие обозначения: U - опорное пилообразное напряжение, формируемое в ШИМ 3;
р
U - напряжение разностного сигнала на выходе ВУ 5;
шим
V - последовательность широтно-модулированных импульсов на выходе ШИМ 3;
V - импульсное напряжение на выходе КУМ 1;
н
U - напряжение на выходе ФНЧ 2;
Е - напряжение электропитания КУМ 1;
и
п
t, t - длительность импульсов и пауз импульсного напряжения V;
0
н
U - опорное напряжение, определяющее уровень стабилизации U;
OCI
U - напряжение обратной связи по выходному току на выходе цепи ОСТ-8;
I
ΔU - корректирующее напряжение на дополнительном выходе цепи ОСТ-8,
пропорциональное падению напряжения на КС 9;
0I
I
U - опорное напряжение с учетом корректировки ΔU;
OCU
U - сигнал обратной связи по выходному напряжению;
у
U - выходное напряжение на выходе УPC 7;
I
U - напряжение на выходе ДТ 6.
Предлагаемый стабилизированный КПН (фиг. 2) содержит ключевой усилитель 1 мощности (КУМ 1), LC-фильтр 2 нижних частот (ФНЧ 2), широтно-импульсный модулятор 3 (ШИМ 3), цепь 4 обратной связи по напряжению (ОСН 4), вычитающее устройство 5 (ВУ 5), датчик 6 тока (ДТ 6), усилитель 7 разностного сигнала (УРС 7), цепь 8 обратной связи по току (ОСТ 8), а также дополнительный кабельный соединитель 9 (КС 9).
Ключевой усилитель 1 мощности (фиг. 2) выполняется по прямоходовой однотактной схеме на мощном транзисторе и обратном диоде. В качестве транзистора предпочтительно использование полевого транзистора, параметры которого адаптированы к напряжению электропитания Е и максимальному току нагрузки.
Фильтр 2 нижних частот выполняется в простейшем случае на LC схеме и дополнительно включает емкость фильтра нагрузки.
шим
p
пн
Широтно-импульсный модулятор 3 может быть выполнен по известной аналоговой схеме [1], обеспечивающий формирование импульсного сигнала V (фиг. 3а) по результату сравнения напряжения разностного сигнала U с опорным пилообразным напряжением U.
Цепь 4 обратной связи по напряжению выполняется на резистивном делителе с коэффициентом передачи β, которая может быть дополнена резистивно-емкостными элементами, также как в устройстве-прототипе (фиг. 1).
I
Датчик 6 тока должен обеспечивать формирование напряжения пропорционального выходному току КУМ 1 с коэффициентом K. Датчик 6 тока для высоковольтных КУМ 1 может быть выполнен в виде резистивного датчика, включенного в общую шину ФНЧ 2, либо датчика на эффекте Холла с гальванической изоляцией, включенного в одну из выходных шин КУМ 1.
I
Цепь 8 обратной связи по току должна обеспечивать необходимый коэффициент передачи γ выходного сигнала датчика 6 тока и может быть выполнена на резистивном делителе либо операционном усилителе в зависимости от уровня исходного напряжения и требуемого напряжения U обратной связи по выходному току.
I
Цепь ОСТ 8 также может быть снабжена дополнительным выходом для формирования необходимого корректирующего напряжения ΔU пропорционального падению напряжения на дополнительном кабельном соединителе КС 9, включенном в шины между выходом ФНЧ 2 и нагрузкой.
p
y
I
Вычитающее устройство 8 должно обеспечивать формирование разностного сигнала U по результату сравнения напряжения U с выхода УРС 7 и U с выхода цепи ОСТ 8. Вычитающее устройство такого типа может быть выполнено на операционном усилителе, коэффициент передачи которого может быть учтен в коэффициентах передачи β и γ.
U
0
0I
0
I
Усилитель 7 разностного сигнала должен обеспечивать формирование разностного сигнала с коэффициентом усиления K при превышении сигнала обратной связи по напряжению установленного уровня стабилизации U либо U=U+ΔU при введении корректировки выходного напряжения КРН с учетом падения напряжения на КС 9.
y
I
При этом УРС 7 обеспечивает пороговые уровни выходного напряжения U в соответствии с следующим соотношением входных сигналов (в условии ΔU=0):
y
I
Схемотехнически пороговая характеристика УРС 7 достаточно просто реализуется на схеме операционного усилителя, охваченного обратной связью через стабилитрон либо при использовании соответствующих ограничителей уровня выходного сигнала U. Корректирующее напряжение ΔU может быть введено на дополнительный вход УРС 7 с дополнительного выхода цепи ОСТ 8.
I
0
K
При этом в УРС 7 реализуется добавление поправочного уровня ΔU в опорное напряжение U, пропорционального падению напряжения на кабельном соединителе КС 9 с известным проходным сопротивлением R. Напряжение на дополнительном выходе цепи ОСТ 8 определятся из условия:
0I
0
I
I
н
K
U=U+ΔU, где ΔU=IR/β.
K
Кабельный соединитель 9 в общем случае представляет двухпроводную линию с известным проходным сопротивлением R, обеспечивающий соединение выхода ФНЧ стабилизированного КПН с удаленной нагрузкой, что является типичным для электропитания функциональной аппаратуры телекоммуникационного и гидроакустического оборудования, размещенного в различных приборах, установленных в отдельных помещениях и отсеках.
Предлагаемый управляемый КПН работает следующим образом.
шим
шим
Широтно-импульсный модулятор 3 формирует импульсы управления V, поступающие на управление мощным полевым транзистором КУМ 1. В результате на вход ФНЧ 2 подается импульсное напряжение V, амплитуда которого соответствует напряжению электропитания Е, а длительность определяется длительностью импульсов V.
шиМ
п
р
I
н
0
н
Последовательность импульсов V является результатом сравнения опорного пилообразного напряжения U с напряжением U, поступающего на вход ШИМ 3 с выхода усилителя 7 разностного сигнала через вычитающее устройство 5. На второй вход вычитающего устройства подается напряжение U с выхода цепи ОСТ 8. Как следствие использование комбинированной обратной связи по напряжению и току с учетом пороговой характеристики (4) УРС 7 для βU>U получим соотношение для определения выходного напряжения U:
где β - коэффициент передачи цепи ОСН 4;
U
K - коэффициент усиления УРС 7;
I
K - коэффициент передачи ДТ 6 [В/А];
γ - коэффициент передачи цепи ОСТ 8;
шим
пн
K=Е/U - коэффициент передачи ШИМ 3;
ф
K - коэффициент передачи ФНЧ 2.
В результате выходное напряжение КРН в зоне стабилизации определяется выражением:
U
U
н
U
U
I
н
Следует отметить, что в линейном режиме стабилизации напряжения при формировании разностного сигнала доминирует выходное напряжение УРС 7, коэффициент которого K может составлять K=50-60. При этом для номинальной нагрузки R величина K кратно превышает результирующее значение коэффициента передачи по выходному току K >> Kγ/R.
0
U
I
Таким образом, полагая UK>>U, получим условие стабилизации выходного напряжения от воздействия дестабилизирующих факторов:
н
На фиг. 3а иллюстрируется временные диаграммы сигналов, показывающие процесс компенсации уменьшения напряжения электропитания Е соответствующим увеличением длительности импульсов напряжения V за счет изменения сигнала  на входе ШИМ 3. При выбранном коэффициенте усиления УРС 7 в условиях  глубина обратной связи достигает 36 дБ, что соответствует нестабильности выходного напряжения КПН не более 1,5% при двукратном изменении напряжения электропитания.
p
I
В предлагаемом устройстве более высокая глубина ОС по сравнению с аналогами и прототипом достигается посредством комбинированной обратной связи, а именно введением в сигнал U дополнительных высокочастотных (ВЧ) составляющих от цепи ОСТ 8. В сигнале U присутствует переменная пилообразная составляющая тока дросселя ФНЧ, формируемая в процессе фильтрации импульсного напряжения V(t). При этом относительный размах ВЧ пульсаций определяется соотношением:
u
где t - длительность импульсов напряжения V,
u
н
m=t/T≈U/E индекс широтно-импульсной модуляции;
Т - период переключения;
ƒ=1/Т - частота переключений КУМ;
L - индуктивность дросселя ФНЧ.
ВЧН
н
н
I
При выборе индуктивности исходя из минимально достаточной величины, соответствующей условию I=I (где I - номинальный ток нагрузки) высокочастотных составляющих сигнала U достаточно для устойчивой работы предлагаемого КПН с глубиной ОС до 30-36 дБ.
Следует отметить, что при изменении тока нагрузки в широких пределах в КПН с однотактной схемой КУМ может наблюдаться обрыв тока дросселя через обратный диод.
шиМ
п
Этот эффект может быть устранен реализацией КУМ по полумостовой схеме по известным правилам [1] при включении вместо обратного диода транзистора, управляемого инверсным сигналом V во время паузы t между импульсами.
K
I
I
0
I
Для случая стабилизации напряжения вторичного электропитания удаленной нагрузки, подключенной к выходу КПН через протяженный кабельный соединитель КС 9 с известным проходным сопротивлением R, в предлагаемом устройстве может быть использована коррекция уровня опорного напряжения на величину ΔU. В результате на вход усилителя разностного сигнала поступает напряжение U=U+ΔU, что приводит к изменению выходного напряжения и, соответственно, к преобразованию выражения (7) к следующему виду:
н1
K
н
K
В результате на удаленной нагрузке будет формироваться напряжение U с учетом падения напряжений U=IR на КС 9:
K
I
Для известного сопротивления R на дополнительном выходе цепи ОСТ 8 можно установить значение ΔU из условия:
нl
0
При этом, согласно выражению (10) обеспечивается полная компенсация падения напряжения на кабельном соединителе КС 9 с соответствующим изменением выходного напряжения КРН, чем достигается стабилизация напряжения электропитания удаленной нагрузки при U=U/β.
Как иллюстрируется на фиг. 3б в соответствии с изменением величины выходного тока от до 12 изменяется уровень опорного напряжения:
0I
0
I1
1
U=U+ΔU при I=I;
0I
0
I2
2
U=U+ΔU при I=I.
Соответственно изменяется уровень разностного сигнала, что приводит к изменению длительности импульсов ШИМ и, соответственно, достигается коррекция выходного напряжения КПН из условия стабилизации напряжения электропитания удаленного потребителя.
Дополнительным преимуществом предлагаемого КПН является устойчивая работа в режимах токовой перегрузки при уменьшении нагрузки существенно ниже номинального значения и при начальном включении на нагрузку с большой емкостью входного фильтра. Режим ограничения выходного тока в предлагаемом устройстве для начального включения иллюстрируется диаграммами сигналов, приведенными на фиг. 3в.
н
0
y
1
нм
При включении КПН обеспечивается условие βU<U, что соответствует формированию на выходе УРС 7 постоянного напряжения U=U (4). В результате включения КУМ 1 в дросселе ФНЧ 2 развивается ток I, величина которого может достигать значение соответствующего условию:
Далее реализуется ограничение выходного тока КУМ 1 за счет обратной связи по выходному току в соответствии с условием:
Д
c
c
н
где R - динамическое сопротивление нагрузки, учитывающее активный ток потребления и составляющую тока заряда I емкости нагрузки I=CdU/dt.
p
При этом на входе ШИМ 3 сигнал U возрастает в режиме КУМ 1 в соответствии с выражением:
I
н
н
нм
н
Устанавливая значения Kγ/R около 10 (где R - номинальное сопротивление нагрузки) в режиме заряда емкостного фильтра получим максимальный выходной ток I не более 1.3 от номинального значения I.
н
0
При завершении заряда емкостного фильтра в условии βU>U в предлагаемом устройстве осуществляется переход к режиму стабилизации напряжения, где доминирует формирование разностного сигнала в соответствии с сигналом обратной связи по выходному напряжению.
нм
Аналогичным образом в предлагаемом КПН реализуется защита от перегрузки и короткого замыкания вследствие неисправности нагрузки либо кратковременного уменьшения ее сопротивления. Здесь следует особо отметить, что при уменьшении сопротивления нагрузки, согласно выражению (6), глубина обратной связи через цепь ОСТ возрастает. В результате в режиме короткого замыкания достигается «жесткое» ограничение выходного тока на заданном уровне I.
Таким образом, введение новых признаков позволяет существенно повысить как стабильность выходного напряжения, так и надежность работы предлагаемого КПН по сравнению с техническими аналогами и устройством-прототипом. Так если известные преобразователи напряжения имеют нестабильность 3-5% в условиях двукратного изменения напряжения электропитания и сопротивления нагрузки, то в предлагаемом устройстве в этих условиях нестабильность не превышает 1-2%. Преимуществом заявляемого технического решения также является ограничение выходного тока в пусковых режимах и режимах перегрузки, что выгодно отличает показатели надежности предлагаемого КПН по сравнению с устройством-прототипом и другими аналогичными устройствами.
Дополнительным преимуществом предложенного технического решения, основанного на комбинированной обратной связи по выходному напряжению и выходному току КУМ, является возможность параметрической стабилизации напряжения электропитания удаленного потребителя, что существенно расширяет область применения изобретения в телекоммуникационных и гидроакустических системах.
На предприятии изготовлены экспериментальные образцы предлагаемого устройства и устройства-прототипа, сопоставительные испытания которых подтвердили преимущества заявляемого технического решения в условиях воздействия дестабилизирующих факторов, связанных с резким изменением напряжения электропитания и тока нагрузки, а также в режимах включения на емкостной фильтр. В ходе проведенных испытаний предлагаемое устройство обеспечило безаварийную работу при требуемой стабильности выходного напряжения, что позволило рекомендовать его внедрение в новых заказах предприятия.
Источники информации
1. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. - М.: Техносфера, 2005 г., 602 с.
2. Патент РФ №2450315. Импульсный стабилизатор постоянного напряжения. Опубл. 10.05.2012.
3. Патент РФ №2465627. Стабилизатор постоянного напряжения. Опубл. 27.10.2012.
4. Патент РФ №1367123. Усилитель мощности класса D. Опубл. 15.01.1988 БИ№2.
5. Патент РФ №2185702. Стабилизированный преобразователь напряжения. Опубл. 25.10.2002.