ВТОРИЧНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ
SECONDARY POWER SUPPLY

Изобретение относится к области преобразования электрической энергии.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является вторичный источник питания (см. Патент RU 2342691, кл. G05F 1/56, 1/571 от 26.11.2007, опубл. в БИ "Изобретения" № 36 за 2008 год), содержащий последовательно соединенные устройство сравнения, генератор прямоугольных импульсов, коммутирующий элемент, первый выход которого соединен через последовательно соединенные первичные обмотки первого и второго трансформаторов с первым выводом источника питания, второй вывод которого соединен со вторым выходом коммутирующего элемента, источник опорного напряжения, первая вторичная обмотка первого трансформатора подключена к нагрузке, первый конец второй вторичной обмотки первого трансформатора соединен с первым выводом конденсатора, второй вывод которого через последовательно соединенные стабилитрон и диод подключен ко второму концу второй вторичной обмотки первого трансформатора, выход источника опорного напряжения соединен с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом второго резистора и первым концом вторичной обмотки второго трансформатора, второй конец которого соединен со вторым выводом второго резистора и входом устройства сравнения, первые и вторые выводы первого резистора и конденсатора соединены между собой.
Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является использование в качестве датчика тока трансформатора, что увеличивает габариты устройства и уменьшает его надежность.
Решаемой задачей является создание вторичного источника питания с датчиком тока, выполненным по МОП-технологии.
Достигаемым техническим результатом является повышение надежности вторичного источника питания и уменьшение его габаритов.
Для достижения технического результата во вторичном источнике питания, содержащем датчик тока и последовательно соединенные устройство сравнения, генератор прямоугольных импульсов и коммутирующий элемент, первый выход которого соединен через первичную обмотку трансформатора с первым выводом источника питания, второй вывод которого соединен со вторым выходом коммутирующего элемента, источник опорного напряжения, выход которого через первый резистор соединен со входом устройства сравнения, с первым выводом первого конденсатора и через последовательно соединенные стабилитрон и диод с первым концом второй вторичной обмотки трансформатора, второй конец которой соединен со вторым выводом первого конденсатора и через второй резистор соединен со входом устройства сравнения, первая вторичная обмотка трансформатора подключена к нагрузке, новым является то, что коммутирующий элемент выполнен на МОП-транзисторе, параллельно которому подключен датчик тока, выполненный в виде МОП-транзистора и третьего резистора, при этом стоки и затворы транзисторов ключевого элемента и датчика тока объединены между собой, а их истоки объединены между собой через третий резистор, исток транзистора датчика тока соединен с первыми выводами второго конденсатора и четвертого резистора, вторые выводы которых объединены и соединены со входом источника опорного напряжения. Выполнение коммутирующего элемента и датчика тока на МОП-транзисторах в заявляемом устройстве позволяет повысить надежность и уменьшить габариты вторичного источника питания.
Блок-схема заявляемого вторичного источника питания изображена на фиг.1. На фиг.2 приведена электрическая принципиальная схема одного из возможных вариантов согласно предлагаемому изобретению. Устройство содержит генератор прямоугольных импульсов 1, выход которого подключен к входу коммутирующего элемента 2, первый выход которого подключен к первому концу первичной обмотки 16 трансформатора 15, второй конец которой через диод 37 подключен к первому выводу первичного источника питания 19, а его второй вывод подсоединен ко второму выходу коммутирующего элемента 2. Параллельно ключевому элементу подключен датчик тока 3, выход которого через параллельно соединенные резистор 6 и конденсатор 7 подключен к входу источника опорного напряжения 8, выход которого через резистор 10 соединен со входом устройства сравнения 9, выход которого соединен со входом управления генератора 1. Вторичная обмотка 18 трансформатора 15 своими выводами через диод 35 подключена к нагрузке 20 - параллельно соединенные резистор и конденсатор; вторичная обмотка 17 трансформатора 15 через последовательно соединенные диод 14 и стабилитрон 13 нагружена на конденсатор 12 и последовательно соединенные резисторы 10 и 11. Управление генератором 1 согласно варианту фиг.2 осуществляется перепадом напряжения на его входе управления с высокого уровня на низкий. В случае использования генератора, у которого управление происходит перепадом входного напряжения с низкого уровня на высокий, необходимо использовать нечетное число n последовательно включенных инверторов в устройстве сравнения 9. Напряжение питания на генератор 1, устройство сравнения 9 и источник опорного напряжения 8 подается с выходов первичного источника питания 19 через диод 37.
Генератор 1 выполнен на элементах «2И-НЕ» и «НЕ»; резисторы 21, 22 и конденсатор 23 являются времязадающими элементами (задают длительности «высокого» и «низкого» уровня сигнала на выходе генератора 1), инверторы 26 и 27 выполняют функцию буферного элемента. Коммутирующий элемент 2 выполнен в виде МОП-транзистора с максимальным током до 300 мА при падении напряжения на открытом ключе не более 0,2 В. Датчик тока 3 выполнен в виде МОП-транзистора 4 с максимальным током до 2,5 мА при падении напряжения на открытом ключе не более 0,2 В и включенного в цепь истока резистора 5. Источник опорного напряжения 8 выполнен в виде инвертора 34, двух диодов 32 и 33, соединяющих его выход и вход, демпфирующих конденсаторов 30 и 31. Устройство сравнения 9 выполнено в виде двух последовательно соединенных инверторов 28 и 29. Все инверторы, используемые в источнике опорного напряжения 8 и в устройстве сравнения 9 (34, 28, 29 см. фиг.2) выполнены в виде последовательно соединенных «р» и «n» канальных идентичных КМОП-транзисторов с объединенными попарно затворами и стоками, и вследствие этого имеют одинаковые значения напряжения переключения.
П
1
max
Вторичный источник питания работает следующим образом. В исходном положении, при отключенном первичном источнике питания 19, в последовательной электрической цепи: первичной обмотке трансформатора 16 и коммутирующем элементе 2 электрический ток равен нулю; конденсаторы 23, 12, 36 разряжены; генератор 1 не работает (на его выходе отсутствуют электрические сигналы). При подключении первичного источника питания 19 его напряжение через диод 37 прикладывается к конденсатору 36, выводам питания элементов «2И-НЕ» и «НЕ», через первичную обмотку трансформатора 16 к стокам транзисторов ключевого элемента 2 и датчика тока 4; исток транзистора ключевого элемента 2 соединен с «минусовым» выводом источника питания напрямую, а исток транзистора датчика тока 4 - через резистор 5. После достижения напряжения на конденсаторе 36 значения, обеспечивающего работоспособность элементов 24, 25, 26 и 27, начинает работать генератор 1, выдавая на вход коммутирующего элемента 2 и датчика тока 3 последовательность импульсов, приводящих к периодическому чередованию двух их состояний: открытого и закрытого. Таким образом, сигнал на выходе генератора 1 имеет две фазы, определяющие два состояния коммутирующего элемента и датчика тока. В фазе открытого состояния коммутирующего элемента 2 и датчика тока 3, длительностью Т, к первичной обмотке трансформатора 16 через коммутирующий элемент 2 и датчик тока 3 приложено выходное напряжение U, первичного источника питания 19. Это приводит к появлению тока в последовательной цепи: первичная обмотка трансформатора 16, коммутирующий элемент 2 и подключенный параллельно ему датчик тока 3, первичный источник питания 19. Поскольку значение тока, протекающего через транзистор 4 датчика тока в 100 раз меньше значения тока, протекающего через коммутирующий элемент 2, то его величиной можно пренебречь при расчете процесса накопления энергии в трансформаторе. Ток в первичной обмотке трансформатора 16 с момента перехода коммутирующего элемента 2 в открытое состояние нарастает практически по линейному закону, достигая к концу фазы открытого состояния максимального значения I, определяемого выражением:
1
где U - значение напряжения первичного источника питания;
1
L - индуктивность первичной обмотки трансформатора;
П
Т - длительность фазы открытого состояния коммутирующего элемента («прямой ход»).
1
П
Выражение (1) справедливо при достаточно малых значениях активного сопротивления первичной обмотки трансформатора и коммутирующего элемента по сравнению со значением величин, определяемых отношением индуктивности L к длительности Т фазы открытого состояния коммутирующего элемента. Энергия, накопленная в индуктивности первичной обмотки трансформатора, пропорциональна квадрату значения тока и определяется известным выражением:
О
После импульсного перевода коммутирующего элемента в закрытое состояние в течение Т (обратный ход), прерывается цепь прохождения тока в первичной обмотке трансформатора 16, накопленная в ней энергия передается через вторичную обмотку 18 и диод 35 в нагрузку 20, и частично через обмотку обратной связи 17 в элементы: диод 14, стабилитрон 13, резисторы 10, 11 и конденсатор 12. В отсутствие сигналов управления на входе генератора 1, энергия, накапливаемая в первичной обмотке трансформатора, должна быть больше номинальной. Процесс накопления и передачи энергии в нагрузку описан в литературе по импульсным источникам питания, например [1] Б.Ю.Семенов. Силовая электроника СОЛОН-Р. М., 2001 г., стр.216-227. Связь между параметрами нагрузки и вторичного источника питания определяется выражением:
H
где U - напряжение на нагрузке;
H
R - значение сопротивления нагрузки;
- коэффициент заполнения;
1
U - значение напряжения первичного источника питания;
f - частота преобразования;
П
Т - длительность фазы «прямого хода»;
О
Т - длительность фазы «обратного хода»;
k - коэффициент трансформации (отношение числа витков вторичной обмотки 18 трансформатора к числу витков его первичной обмотки 16).
П
о
П
О
Процесс передачи накопленной энергии индуктивностью первичной обмотки 16 трансформатора в фазе Т в, нагрузку 20 проходит с участием заряда конденсатора нагрузки 20 в фазе Т и его разряда в течение всего периода Т=Т+Т следования сигналов на входе коммутирующего элемента 2. Этот процесс может быть описан следующими уравнениями:
1max
где I - значение тока в первичной обмотке к моменту окончания фазы проводящего состояния коммутирующего элемента 2;
С - значение емкости конденсатора фильтра нагрузки 20;
i-1
1
U, U - значение напряжения на конденсаторе нагрузки в моменты времени, соответствующие (i-1)T и iT;
зар
разр
Δq, Δq - изменение заряда конденсатора нагрузки 20, обусловленные передачей энергии от первичной обмотки и током разряда на сопротивлении нагрузки 20 соответственно;
- среднее значение напряжения на нагрузке 20.
В переходном режиме работы вторичного источника питания происходит постепенный рост напряжения на конденсаторе нагрузки 20 за счет порций энергии, передаваемых с каждым периодом выходных сигналов генератора 1 из первичной обмотки 16 трансформатора. Из анализа выражений (4), (5), (6) следует:
зар
- при постоянстве энергии W, накапливаемой в первичной обмотке, приращение заряда Δq и соответственно напряжения конденсатора нагрузки уменьшается по мере роста среднего значения напряжения на нем;
разр
- разряд конденсатора нагрузки Δq за счет тока, отдаваемого в сопротивление нагрузки за период Т растет по мере роста среднего напряжения на конденсаторе нагрузки.
зар
разр
В переходном режиме Δq>Δq.
Установившийся режим характеризуется прекращением роста среднего значения на конденсаторе нагрузки 20. При этом наступает равенство изменений зарядов:
зар
разр
Δq=Δq или
i
i-1
При замене в выражении (4) сомножителя C(U-U) на правую часть равенства (7) получим:
Равенство (8) также вытекает из принципа сохранения энергии.
cp
В установившемся режиме значение среднего напряжения на нагрузке U может быть определено из формулы (8) с учетом формулы (1):
1
П
H
1
П
П
О
О
П
П
Из выражения (9) видно, что среднее напряжение на нагрузке определяется значениями: напряжения первичного источника питания U, длительности фазы открытого состояния коммутирующего элемента Т, сопротивления нагрузки R, индуктивности первичной обмотки трансформатора L и периода следования сигналов Т на управляющем входе коммутирующего элемента. При постоянстве значений Т и Т (отсутствуют сигналы управления на входе генератора 1), напряжение на нагрузке будет изменяться при изменении напряжения первичного источника питания и сопротивления нагрузки. Стабилизация напряжения на нагрузке осуществляется изменением длительности Т - широтно-импульсная модуляция (ШИМ), посредством подачи на управляющий вход генератора 1 импульсных сигналов с выхода устройства сравнения 9. По спаду импульсных сигналов на входе генератора 1 прерывается формирование фазы сигнала, определяющего открытое состояние коммутирующего элемента, устанавливается уровень сигнала, соответствующий закрытому состоянию коммутирующего элемента (фаза Т). Длительность фазы Т определяется времязадающими элементами генератора 1 с учетом Т. После окончания фазы То начинается новый цикл формирования сигнала фазы Т, накопления энергии в индуктивности первичной обмотки трансформатора и передачи ее в нагрузку. Импульсный сигнал на выходе устройства сравнения 9 формируется в момент, когда на его входе (входе инвертора 29) переменное напряжение достигает значения порога переключения р-канального транзистора комплиментарной пары (инвертора 29).
вx29
При значении сопротивления подстроечного резистора 11 равным нулю напряжение на входе инвертора 29 U определяется суммой напряжений:
где
17
О
U - амплитуда напряжения на вторичной обмотке 17 трансформатора, в фазе обратного хода Т;
д
U - прямое падение напряжения на диоде 14;
ст
U - напряжение стабилизации стабилитрона 13;
вых34
U - напряжение на выходе инвертора 34 (источника опорного напряжения);
17
18
n, n - число витков вторичных обмоток 17 и 18 трансформатора;
18
О
U - амплитуда напряжения на вторичной обмотке 18 трансформатора, в фазе обратного хода Т;
пор34
D
Напряжение на входе инвертора 34, подключенного через резисторы 6 и 5 к «минусу» источника питания, за счет обратной связи с выходом инвертора 34 через диоды 32, 33 устанавливается близким к значению порога переключения инвертора 34 (U), а напряжение на его выходе будет больше на величину n-U (n - число диодов последовательно включенных в цепи обратной связи «вход - выход» инвертора 34). В устройстве согласно фиг.2 использованы два диода - 32, 33 и в этом случае:
1
где K - коэффициент передачи входного напряжения инвертора 34;
2
K - коэффициент, определяемый отношением тока, протекающего через транзистор ключевого элемента 2, к току, протекающему через транзистор 4 датчика тока (задается конструктивными параметрами транзистора 4);
дт
U - напряжение на выходе датчика тока;
5
R - значение сопротивления резистора 5;
1
i(t) - временная зависимость тока в первичной обмотке 16 трансформатора;
1
17
В начальный момент времени: (t=0), i=0, U=0, значение напряжения на входе устройства сравнения 9 (вход инвертора 29) будет равно:
вх29
cc
При значении U, соответствующем выражению (15), напряжение на выходе инвертора 29 будет близко к 0 (уровень «0»), а на выходе инвертора 28 равно U (уровень «1»), при этом устройство сравнения не влияет на длительность фазы прямого хода. Переключение инвертора 29 из состояния «0» в состояние «1» и соответственно исчезновение сигнала на выходе устройства сравнения 9 (выход инвертора 28) произойдет при:
где
cc
U - напряжение питания инверторов;
28
29
28(29)
K, K - коэффициенты усиления инверторов 28, 29 в линейном режиме соответственно (К=12-20).
2
Напряжение сигнала с выхода датчика тока 3 (резистор 5), поступающее на вход источника опорного напряжения 8 через резистор 6 и конденсатор 7, на выход источника опорного напряжения 8 передается с инверсией полярности и коэффициентом пропорциональности К.
С учетом соотношений (10), (11), (12), (13), (14), (15), (16), а также примерного равенства значений напряжения переключения инверторов в одном кристалле микросхемы условием формирования выходного сигнала устройства сравнения будет:
~
D
или с учетом того, что ΔU<<2U
В зависимости от выбранных параметров вторичного источника питания:
- диапазона значений выходных напряжений первичного источника питания 19;
1
- индуктивность первичной обмотки 16 трансформатора (L);
О
- периода повторения сигналов на входе коммутирующего элемента 2 и длительности фазы Т;
- коэффициента отношения тока, протекающего через транзистор ключевого элемента 2, к току, протекающему через транзистор 4 датчика тока и значения сопротивления 5;
17
18
- отношения числа витков вторичных обмоток 17 и 18 трансформатора (n, n);
- значения порогового напряжения устройства сравнения 9, возможна реализация трех характерных режимов работы.
П
При  и  (Т - длительность фазы открытого состояния коммутирующего элемента 2 при отсутствии сигнала управления на входе генератора 1) на выходе устройства сравнения 9 отсутствуют сигналы управления; установившееся напряжение на нагрузке определяется выражением (3).
П
При  и  управляющий сигнал на выходе устройства сравнения 9 и соответственно на входе генератора 1 появляется через время Т от момента начала перехода коммутирующего элемента 2 в открытое состояние.
1
П
В этом режиме при всех значениях напряжения первичного источника питания U амплитуда тока в первичной обмотке 16 трансформатора ограничивается на уровне  что обеспечивает постоянство передаваемой энергии в нагрузку и ограничивает ток коммутирующего элемента на безопасном уровне (определяется формулой (1)). Однако для этого случая стабильность напряжения на нагрузке будет невысокая, так как при постоянстве передаваемых порций энергии в нагрузку период их следования может изменяться в зависимости от значений Т. Более высокая степень стабилизации вторичного напряжения (на нагрузке) достигается для режима при котором:
для всего рабочего диапазона значений напряжений первичного источника питания.
Формирование выходного сигнала устройства сравнения 9 происходит в тот момент, когда выполняется равенство:
18
Отсюда значение напряжения U на нагрузке 20 равно:
cт
D
Для случаев, когда U>>2U с учетом того, что  выражение (22) можно в первом приближении представить в виде:
17
18
cт
D
18
Обеспечение требуемого значения выходного напряжения вторичного источника питания достигается выбором стабилитрона 13 и отношением числа витков вторичной обмотки обратной связи n к числу витков выходной обмотки n трансформатора, удовлетворяющих условию (23). Из выражения (22) видно, что выходное напряжение вторичного источника питания зависит от стабильности напряжения стабилизации стабилитрона U, напряжения на диодах 32, 33 - 2U при протекании тока, задаваемого резистором 6, в нормальных условиях и при изменении температуры окружающей среды. Уменьшение температурной зависимости выходного напряжения U, может достигаться использованием в качестве резистора 10 терморезистора.
11
В случаях когда значение резистора 11 не равно нулю (R>0), выражение (22) принимает вид:
В устройстве согласно фиг.2 все элементы «НЕ», «2И-НЕ», МОП-транзисторы ключевого элемента и датчика тока, резистор R5 и диод 37 выполнены в виде единой интегральной схемы. Трансформатор 15 выполнен на МО-пермаллоевом сердечнике МП-140 К7×4×3; стабилитрон 12 - типа 2С156А; диоды 14, 32, 33, 35 - 2Д522Б. Конденсаторы 7, 30, 31 - повышают помехоустойчивость ШИМ регулятора.
cт
-3
По схеме фиг.2 изготовлены и испытаны экспериментальные образцы вторичного источника питания с выходным напряжением 5-6 В (разброс определяется разбросом U), диапазон изменения напряжения первичного источника питания 4,5-7,5 В, при этом нестабильность напряжения на нагрузке не более 1%. Температурная нестабильность выходного напряжения не более 8·10 1/°С без использования терморезистора. Изготовленные образцы вторичного источника питания имеют выигрыш по габаритам более чем в 2 раза по сравнению с габаритами прототипа.