Обратноходовый преобразователь энергии DC-DC
FLYBACK DC-DC POWER CONVERTER

Изобретение относится к семейству преобразователей, каждый из которых представляет собой встраиваемое (интегрируемое) электронное изделие, которое относится к преобразовательной технике и может быть применено в источниках вторичного электропитания для питания различной электронной аппаратуры широкого спектра применения. Преобразователи применяются в устройствах вычислительной техники, устройствах связи, различных схемах управления и автоматики.
Из уровня техники известны различные семейства преобразователей энергии DC-DC, рассчитанные на разную выходную мощность, диапазоны входного и выходного напряжения (см., например, https://www.tracopower.com/int/dcdc-converters/dip-pcb-modules-1-60-watt, https://recom-power.com/de/index.html?0, https://aimtec.com/home). Однако известные аналоги обладают рядом недостатков, среди которых высокая пульсация на входе и выходе, нестабильность параметров в долгосрочной перспективе, низкие надежность и КПД, высокий уровень электромагнитного излучения.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является двухтактный преобразователь с импульсной нагрузкой, содержащий первый и второй МДП-транзисторы, силовой трансформатор, вторичная обмотка которого через первый выпрямитель, дроссель фильтра, конденсатор фильтра соединена с нагрузкой преобразователя, отрицательный вывод конденсатора фильтра соединен с отрицательной обкладкой конденсатора, положительную и отрицательную клеммы источника питания, двухтактный ШИМ-контроллер, прямой вывод IN которого соединен с выводом UREF, трансформатор тока, вторичная обмотка которого соединена с входом второго выпрямителя, вывод UCC ШИМ-контроллера соединен с дополнительным источником питания, вывод СT ШИМ-контроллера через времязадающий конденсатор подключен к отрицательной обкладке конденсатора, к которой также подключены выводы GND и I LIM /stop, вывод OUTA ШИМ-контроллера подключен к затвору МДП-транзистора, вывод OUTB - к затвору второго МДП-транзистора, отличающийся тем, что первый и второй последовательно соединенные МДП-транзисторы подключены так, что сток первого подключен к положительной клемме источника питания, а исток второго - к его отрицательной клемме, введены два последовательно соединенных рекуперирующих диода, катод первого диода подключен к положительной клемме источника питания, а анод второго диода - к его отрицательной клемме, анод первого диода подключен к истоку первого МДП-транзистора, два последовательно соединенных конденсатора подключены к положительной и отрицательной клеммам источника питания, их общая точка через первичные обмотки силового трансформатора и трансформатора тока подключена к истоку первого МДП-транзистора, выводы OUTA и OUTB ШИМ-контроллеров через первый и второй управляющие трансформаторы подключены к затворам первого и второго МДП-транзисторов соответственно, введены первый и второй потенциометры, первый вывод первого потенциометра подключен к положительной обкладке конденсатора индуктивно-емкостного фильтра, его второй вывод - к отрицательной обкладке этого конденсатора, средний вывод первого потенциометра подключен к инверсному выводу IN ШИМ-контроллера, выход второго выпрямителя соединен с первым и вторым выводами второго потенциометра, средний вывод которого подсоединен к аноду разделительного диода, катод которого подключен к инверсному выводу IN ШИМ-контроллера (см. RU 99254 U1, опуб. 10.11.2010). Недостатками прототипа являются также высокая пульсация на входе и выходе, нестабильность параметров в долгосрочной перспективе, низкие надежность и КПД, высокий уровень электромагнитного излучения.
Задачей изобретения является устранение недостатков уровня техники. При осуществлении назначения изобретения и выполнении обозначенной задачи изобретением достигается технический результат, заключающийся в снижении пульсации на входе и выходе, обеспечение стабильности параметров в долгосрочной перспективе, повышении надежности и КПД при снижении уровня электромагнитного излучения.
при этом, согласно изобретению,
Задача выполняется, а технический результат достигается обратноходовым преобразователем энергии DC-DC, содержащим входной фильтр, ШИМ-контроллер, силовой трансформатор, блок первичного источника питания, выходные выпрямительные диоды и цепь обратной связи,  ШИМ-контроллер выполнен в интегральном исполнении, при этом преобразователь содержит силовой ключ, расположенный между ШИМ-контроллером и силовым трансформатором, блок защиты по входу от пониженного напряжения, кроме того, силовой трансформатор является планарным с дополнительной обмоткой для блока первичного источника питания, при этом преобразователь содержит выходные П-образные фильтры, а цепь обратной связи сформирована из термокомпенсированного источника опорного напряжения, усилителя сигнала ошибки в виде усилителя тока и напряжения на сдвоенном операционном усилителе с питанием от вторичного источника питания и трансформатора обратной связи с отношением витков обмоток 1:1.
При этом блок защиты по входу от пониженного напряжения входом может быть связан с входным фильтром, а выходами с ШИМ-контроллером и блоком первичного источника питания.
При этом преобразователь может дополнительно содержать демпферную цепочку в цепи DS силового транзистора.
При этом выходные выпрямительные диоды могут дополнительно содержать демпфирующую R-C цепочку.
Сущность изобретения пояснена на фиг. 1-3, где фиг. 1 – общая блок-схема преобразователя из заявленного семейства с двумя выходами, фиг. 2 – диаграммы основных токов и напряжений преобразователя, фиг. 3 – маркировка семейства преобразователей энергии.
К ключевым особенностям данного семейства преобразователей относятся:
- высокая выходная мощность 5-200 Вт при малых габаритах изделия;
- широкий диапазон входного напряжения от 10 до 50 В;
- широкий диапазон выходного напряжения от 3,3 до 28 В;
- высокое максимальное переходное напряжение по входу до 80 В в течение 1 сек;
- блокировка пониженного напряжения (UVLO);
- высокая надёжность при низкой стоимости изделия;
- фиксированная рабочая частота преобразования;
- возможность синхронизации частоты;
- «мягкий старт» по выходу;
- защита по току;
- защита от короткого замыкания;
- трансформаторная обратная связь;
- широкий рабочий температурный диапазон -55°С … +100°С;
- внутреннее конформное покрытие;
- металлический корпус.
Основными преимуществами данного изделия считаются: низкая пульсация на входе и выходе, фиксированная рабочая частота ШИМ, встроенные фильтры на входе и выходе, использование трансформатора обратной связи вместо оптоизолятора, что даёт стабильность параметров в долгосрочной перспективе, возможность синхронизации частоты работы ШИМ с помощью внешнего источника сигнала, прочный металлический корпус, который обеспечивает долгосрочную надежность и низкий уровень электромагнитного излучения.
В конструкции применяется планарный трансформатор, которому не требуется ручная сборка, что повышает надёжность сборки и работы, снижает стоимость, и также позволяет обеспечить стабильность и повторяемость технических параметров данного трансформатора. Именно оригинальная конструкция данного планарного трансформатора, который рассчитывается для каждого варианта изделия (входное/выходное напряжение, выходной ток, количество выходов), позволяет передать на выходе максимальную мощность при минимальных размерах, обеспечить стабильность выходных параметров при разных режимах работы преобразователя. Преобразователь имеет встроенную защиту от перегрузки, перегрева, перенапряжения, короткого замыкания.
Серия предназначена для работы в тяжёлых условиях, включая сильную вибрацию, удары и цикличность температуры.
Для предложенной конструкции преобразователя также характерны следующие преимущества: работа на большую ёмкостную нагрузку, стабильная работа в приграничной зоне напряжения питания, хорошую электромагнитную совместимость, хороший показатель КПД в широком диапазоне мощности.
Ёмкостная нагрузка
При подключении большой ёмкости заявленное семейство преобразователей энергии работает в режиме стабилизатора тока и выдаёт максимальный ток пока заряжается ёмкость. Когда конденсатор зарядится преобразователь переходит в режим работы стабилизатора напряжения и выдаёт заданное фиксированное напряжение. Такая работа преобразователя делает его очень удобным в схеме питания устройств, которые имеют нагрузку с большой ёмкостью и/или работают в импульсном режиме, когда периодически ток потребления бывает максимальным. Применение предложенного семейства преобразователей энергии позволяет построить простую схему питания устройства без дополнительных цепей предварительной зарядки конденсаторов.
Стабильная работа в приграничной зоне напряжения питания
Это работа преобразователя с напряжением, близким к границам допустимого питания. Например, при низком напряжении в момент включения устройства не исключена возможность снижения напряжения в шине питания, вызванное импульсом тока при запуске преобразователя. Аналогичная продукция других (зарубежных) аналогов в таких случаях может срабатывать нестабильно и постоянно включаться-выключаться (известный эффект flip-flop). Гистерезис по входному напряжению у предложенного семейства преобразователей энергии подобран таким образом, чтобы исключить этот недостаток в работе системы питания устройства.
Электромагнитная совместимость
Полностью металлический корпус со всех 6 сторон и фиксированная частота ШИМ-контроллера в совокупности с входным и выходным фильтрами обеспечивают семейству преобразователей энергии превосходную совместимость с другими устройствами в плане электромагнитных помех.
КПД
Схемотехника предложенного семейства преобразователей энергии построена с таким расчётом, чтобы добиться высокого показателя КПД в широком диапазоне мощности нагрузки. Это выгодно отличает предложенное семейство преобразователей энергии от других аналогов, которые добиваются высоких показателей только при одном значении потребляемой мощности, а при подключении нагрузки иной мощности, отличной от оптимальной, значение КПД резко снижается. Более того, некоторые аналоги других производителей для обеспечения стабильной работы преобразователя требуют подключения постоянной нагрузки, составляющих в ряде примеров до 20% мощности. А это означает, что указанные 20% мощности будет потеряны впустую, выделенная тепловая энергия должна быть отведена, что в целом ухудшает характеристики по эффективности, надёжности, массы и габаритам. Предложенное семейство преобразователей энергии стабильно работает при любой подключенной мощности и не требует никаких дополнительных цепей для обеспечения стабильной работы и отдавая максимум непосредственному потребителю энергии.
Предложенный преобразователь построен по топологии обратноходовых преобразователей. Обратноходовый преобразователь (или flyback-конвертор) - это одна из самых популярных топологий импульсных источников питания. Область его широкого применения ограничена конверторами низкой и средней мощности как стандартного применения, так и эксклюзивных решений. Типовая область применения – источники питания 5-50 Вт. Верхний предел топологии ограничивается на уровне 200-250 Вт.
Преимуществами обратноходового преобразователя являются:
- сравнительная простота;
- небольшое количество элементов;
- дешевизна, это самая дешевая (low cost) топология из всех преобразователей;
- практически нечувствителен к короткому замыканию на выходе;
- отлично работает на емкостную нагрузку;
- легко реализовать источники с множеством гальванически развязанных выходов, при этом напряжения выходных обмоток хорошо связаны.
На фиг. 1 в качестве неограничивающего примера представлена общая блок-схема преобразователя из данного семейства с двумя выходами.
Для его реализации требуется всего несколько функциональных блоков: входной LC фильтр (L1-C1), ШИМ-контроллер – в данном случае он выбран в интегральном исполнении, силовой ключ VT1, блок защиты по входу от пониженного напряжения (UVLO), планарный силовой трансформатор TR1 с дополнительной обмоткой для блока первичного источника питания (ИП), сам блок первичного ИП, выходные выпрямительные диоды VD1, VD2, выходные П-образные фильтры (C3-L2-C5, C4-L3-C6) и цепь обратной связи (ОС), сформированной из термокомпенсированного источника опорного напряжения (ИОН), усилителя тока и напряжения (усилителя сигнала ошибки) на сдвоенном операционном усилителе с питанием от вторичного ИП и трансформатора обратной связи с отношением витков обмоток 1:1.
На фиг. 2 в качестве неограничивающего примера изображены диаграммы его основных токов и напряжений. Режим работы преобразователя – режим разрывных токов (discontinuous).
Это значит, что к началу следующего цикла вся энергия из трансформатора передана в нагрузку, и следующий цикл начинается с нулевого тока в трансформаторе TR1. Для анализа разобьем рабочий цикл на отдельные периоды. Пусть схема работает на частоте f, при этом период будет T=1/f.
Интервал (t0-t1)
– время включенного состояния силового ключа VT1 (время прямого хода) обозначим как tON, соответственно, рабочий цикл (Duty Circle, в дальнейшем D) будет определяться как D = tON/T. Интервал (t0-t1). К моменту t0 сердечник трансформатора полностью размагничен, и ток в нем отсутствует. В момент, когда с ШИМ-контроллера подается управляющий сигнал Vgs, силовой ключ VT1 открывается и ток в трансформаторе TR1 начинает нарастать. То есть в идеализированной схеме включение силового транзистора происходит при нулевом токе. В наших реальных же условиях происходит некоторый бросок тока, связанный с зарядом паразитных емкостей трансформатора. Выходной диод также полностью закрыт к этому времени, и нет необходимости в быстром его перезаряде/восстановлении. Ток в индуктивности первичной обмотке трансформатора TR1 будет нарастать до тех пор, пока ШИМ-контроллер не даст команду на выключение силового транзистора. ШИМ-контроллер рассчитывает (исходя из сигнала рассогласования обратной связи) количество энергии, которую необходимо запасти для поддержания постоянной мощности в нагрузке плюс потери в самом источнике.
Интервал (t1-t2)
. Силовой транзистор выключается, ток в нем резко спадает от IPRI до нуля, а напряжение начинает быстро расти и достигает Vmax. Можно ожидать, что в этот момент происходит большое выделение энергии от динамических потерь. К сожалению, оценить их достаточно сложно, слишком много параметров влияет на скорость этого процесса, и влияние времени переключения весьма и весьма высоко. В общем случае время переключения зависит от энергии переключения силового транзистора, суммарного сопротивления в цепи его затвора, напряжения питания выходного каскада драйвера, индуктивности в цепи истока. Но первичный ток также начинает перезаряжать паразитную емкость трансформатора, снижая скорость нарастания напряжения на ключе. Этот эффект снижает динамические потери. Если бы трансформатор был бы идеальным, то напряжение Vds(max) равнялось бы выходному напряжению, умноженному на коэффициент трансформации (Vrefl). Но наличие паразитных элементов схемы, в основном индуктивности рассеяния трансформатора, приводит к существенному выбросу напряжения на разомкнувшемся силовом ключе.
Интервал (t2 – t3)
. К моменту t2 ток во вторичной обмотке трансформатора полностью прекратился, и выходной диод закрылся. Поэтому трансформатор оказывается «подвешенным в воздухе», и на его первичной обмотке возникают относительно низкочастотные колебания, вызванные колебательным контуром из индуктивности намагничивания трансформатора и некой эквивалентной емкостью, образованной межвитковой/ межобмоточной емкостью и выходной емкостью силового ключа. Для подавления этих колебаний используется демпферная цепочка R2-C2 в цепи DS силового транзистора. В идеале данный период должен стремиться к нулю при максимальной нагрузке и минимальном входном напряжении. Это будет означать, что все элементы используются оптимально – все время занято полезным процессом передачи энергии. В момент t3 открывается силовой ключ и процесс повторяется. Используется также и демпфирование колебаний во вторичной цепи. При значительной собственной емкости выходного диода и сравнительно высоком выходном напряжении при переходе диода в непроводящее состояние возникают паразитные колебания в контуре, образованном собственной емкостью диода CVDout, емкостью вторичной обмотки трансформатора Cw2 и индуктивностью рассеяния вторичной обмотки Lw2_leak. Для поглощения энергии колебаний и их подавления последовательно вводят демпфирующую RdCd цепочку – в данном случае R5-C6 и R7-C8.
На фиг. 3 показана маркировка семейства преобразователей энергии.
Предложенная конструкция семейства преобразователей энергии позволяет исключить недостатки существующего уровня техники, позволяя достичь технический результат, заключающийся в снижении пульсации на входе и выходе, обеспечение стабильности параметров в долгосрочной перспективе, повышении надежности и КПД при снижении уровня электромагнитного излучения
Поиск по общедоступным источникам информации показал, что из уровня техники не известна и явным образом не следует вся совокупность признаков семейства преобразователей энергии, в связи с чем изобретение соответствует условиям патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень».
Семейство преобразователей энергии изготавливается из стандартных для этой области техники компонентов на общеизвестном оборудовании, то есть может быть использовано в промышленности, ввиду чего изобретение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Следует понимать, что после рассмотрения специалистом приведенного описания с примером осуществления предлагаемого преобразователя, для него станут очевидными другие изменения, модификации и варианты реализации изобретения. Таким образом, все подобные изменения, модификации и варианты реализации, а также другие области применения, не имеющие расхождений с сущностью настоящего изобретения, следует считать защищенными настоящим изобретением в объеме прилагаемой формулы.