Однотактный преобразователь постоянного напряжения

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам вторичного электропитания. Однотактный преобразователь постоянного напряжения содержит трансформатор, вторичные обмотки которого подключены к выходным выводам одного или нескольких выходов преобразователя, первичная обмотка подсоединена к полевому транзистору, а обмотка обратной связи подключена к делителю обратной связи, регулирующий транзистор, времязадающий конденсатор, три логических инвертора и логический элемент И, между выходом которого и входом первого логического инвертора подключена последовательная RC-цепь. При малых нагрузках или в режиме холостого хода время отпирания полевого транзистора определяется не времязадающим конденсатором, а малой постоянной времени последовательной RC-цепи, при этом напряжение помехи не влияет на работу устройства. Технический результат состоит в исключении потери устойчивости регулирования в режиме холостого хода и повышение надежности устройства в целом. 1 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах вторичного электропитания систем радиотехники, автоматики и вычислительной техники.

В настоящее время известен однотактный преобразователь постоянного напряжения (User′s Guide SLU523 «Using the TPS92070EVM-648 Integrated Dimming LED Lighting Driver Converter for 230 VAC Input»), содержащий трансформатор, вторичные обмотки которого подключены через диодные выпрямители к выходным выводам, шунтированным конденсаторами фильтра, начало первичной обмотки подсоединено к первому входному выводу, а конец - к стоку полевого транзистора, исток которого подсоединен к общему входному выводу и к началу обмотки обратной связи трансформатора, соединенной через выпрямительный диод с конденсатором фильтра, параллельно которому включен делитель обратной связи, средний вывод которого подключен к эмиттеру регулирующего транзистора, база которого подсоединена к среднему выводу последовательной цепи из резистора и стабилитрона, включенной между соответственно первым и общим выводом, к которому подключен первый вывод времязадающего конденсатора, первая КМОП ИС логического инвертора, вход, которой подключен к коллектору регулирующего транзистора, а выход - к первому входу логической схемы И, второй вход которой подключен к выходу второй КМОП ИС логического инвертора, а выход - , к входу третьей КМОП ИС логического инвертора, выход которой соединен через четвертый резистор с затвором полевого транзистора.

Недостатком известного устройства является низкая надежность, в связи с тем что при малых длительностях отпирающих импульсов на затворе полевого транзистора, например в режиме холостого хода, система управления преобразователем постоянного напряжения теряет устойчивость регулирования и на выходе устройства возникают пульсации напряжения, превышающие предельно допустимые.

Известен также однотактный преобразователь постоянного напряжения (Patent US 6842350 B2, Jan. 11.2005, «DC-to-DC converter with flyback period detector circuit»), содержащий трансформатор, вторичные обмотки которого подключены через диодные выпрямители к выходным выводам, шунтированным конденсаторами фильтра, начало первичной обмотки подсоединено к первому входному выводу, а конец - к стоку полевого транзистора, исток которого подсоединен к общему входному выводу и к началу обмотки обратной связи трансформатора, соединенной через выпрямительный диод с конденсатором фильтра, параллельно которому включен делитель обратной связи, средний вывод которого подключен к эмиттеру регулирующего транзистора, база которого подсоединена к среднему выводу последовательной цепи из резистора и стабилитрона, включенной между соответственно первым и общим выводом, к которому подключен первый вывод времязадающего конденсатора, первая КМОП ИС логического инвертора, вход которой подключен к коллектору регулирующего транзистора, а выход - к первому входу логической схемы И, второй вход которой подключен к выходу второй КМОП ИС логического инвертора, а выход - к входу третьей КМОП ИС логического инвертора, выход которой соединен через четвертый резистор с затвором полевого транзистора.

Недостатком известного устройства является низкая надежность, в связи с тем что при малых длительностях отпирающих импульсов на затворе полевого транзистора, например в режиме холостого хода, система управления преобразователем постоянного напряжения теряет устойчивость регулирования и на выходе устройства возникают пульсации напряжения, превышающие предельно допустимые.

Наиболее близким к предлагаемому является однотактный преобразователь постоянного напряжения (Datasheet search site Motorola analog IC device data UC3842A/D. High performance current mode controllers), содержащий трансформатор, вторичные обмотки которого подключены через диодные выпрямители к выходным выводам одного или нескольких выходов преобразователя, шунтированным конденсаторами фильтра, начало первичной обмотки подсоединено к первому входному выводу, а конец - к стоку полевого транзистора, исток которого подсоединен к общему входному выводу и к началу обмотки обратной связи трансформатора, соединенной через выпрямительный диод с конденсатором фильтра, параллельно которому включен делитель обратной связи, средний вывод которого подключен к эмиттеру регулирующего транзистора, база которого подсоединена к среднему выводу последовательной цепи из резистора и стабилитрона, включенной между соответственно первым и общим входными выводами, времязадающий конденсатор, первый вывод которого подключен к общему входному выводу, а второй вывод - через первый резистор к коллектору регулирующего транзистора и через последовательную цепь из второго и третьего резисторов к первому входному выводу, первая КМОП ИС логического инвертора, вход которой подключен к коллектору регулирующего транзистора, а выход - к первому входу логической схемы И, второй вход которой подключен к выходу второй КМОП ИС логического инвертора, а выход - ко входу третьей КМОП ИС логического инвертора, выход которой соединен через четвертый резистор с затвором полевого транзистора и через первый встречно включенный диод с точкой соединения второго и третьего резисторов.

Недостатком известного устройства является то, что при малых длительностях отпирающих импульсов на затворе полевого транзистора, например в режиме холостого хода, напряжение во времязадающих цепях становится соизмеримым с напряжением помехи и система регулирования преобразователем постоянного напряжения теряет устойчивость, при этом на выходе устройства возникают пульсации напряжения, превышающие предельно допустимые.

Задачей изобретения является исключение потери устойчивости регулирования в режиме холостого хода и повышение надежности устройства в целом.

Поставленная задача достигается тем, что в однотактный преобразователь постоянного напряжения введена последовательная RC- цепь, включенная между выходом логической схемы И и входом первой КМОП ИС логического инвертора. При этом в предложенном устройстве для повышения коэффициента стабилизации выходного напряжения может быть введен второй регулирующий транзистор, базо-коллекторный переход которого включен параллельно базо-коллекторному переходу первого регулирующего транзистора, а базо-эмиттерный переход соединен через узел гальванической развязки с одним из выходных выводов.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На рисунках 1, 2 приведена схема электрическая однотактного преобразователя постоянного напряжения и его вариантов, на рисунке 3 - диаграммы токов и напряжений на элементах устройства.

Однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий трансформатор 1, вторичные обмотки которого подключены через диодные выпрямители 2 к выходным выводам одного или нескольких выходов преобразователя, шунтированным конденсаторами фильтра 3, начало первичной обмотки 4 подсоединено к первому входному выводу, а конец - к стоку полевого транзистора 5, исток которого подсоединен к общему входному выводу и к началу обмотки обратной связи 6 трансформатора 1, соединенной через выпрямительный диод 7 с конденсатором фильтра 8, параллельно которому включен делитель обратной связи 9, средний вывод которого подключен к эмиттеру регулирующего транзистора 10, база которого подсоединена к среднему выводу последовательной цепи из резистора и стабилитрона 11, включенной между соответственно первым и общим входными выводами, времязадающий конденсатор 12, первый вывод которого подключен к общему входному выводу, а второй вывод - через первый резистор 13 к коллектору регулирующего транзистора 10 и через последовательную цепь из второго 14 и третьего 15 резисторов к первому входному выводу, первая КМОП ИС логического инвертора 16, вход которой подключен к коллектору регулирующего транзистора 10, а выход - к первому входу логической схемы И 17, второй вход которой подключен к выходу второй КМОП ИС логического инвертора 18, а выход - ко входу третьей КМОП ИС логического инвертора 19, выход которой соединен через четвертый резистор 20 с затвором полевого транзистора 5 и через первый встречно включенный диод 21 - с точкой соединения второго 14 и третьего 15 резисторов, в котором с целью повышения надежности введена последовательная RC цепь 22, включенная между выходом логической схемы И 17 и входом первой КМОП ИС логического инвертора 16, соединенной через прямовключенный второй диод 23 с выходом второй КМОП ИС логического инвертора 18, вход которой через пятый резистор 24 соединен с концом обмотки обратной связи 6 трансформатора 1.

На рисунке 2 приведен пример выполнения однотактного преобразователя постоянного напряжения, в котором для повышения коэффициента стабилизации выходного напряжения введен второй регулирующий транзистор 25, базо-коллекторный переход которого включен параллельно базо-коллекторному переходу первого регулирующего транзистора 10, а базо-эмиттерный переход соединен через узел гальванической развязки 26 с выходными выводами одного из выходов преобразователя.

Однотактный преобразователь постоянного напряжения (рисунок 1) работает следующим образом.

Рассмотрим работу устройства в установившемся режиме. Допустим в начальный момент времени t₀ (Рисунок 3) идет процесс заряда выходного конденсаторов фильтра 3 от вторичных обмоток трансформатора 1. В этом случае полевой транзистор 5 закрыт и на его стоке 27 имеется высокое напряжение, а на вход второй КМОП ИС логического инвертора 18 от обмотки обратной связи 6 трансформатора 1 поступает высокое напряжение 28 через пятый резистор 24, эквивалентное логической 1. На выходе второй КМОП ИС логического инвертора 18 имеется низкое напряжение 29, эквивалентное логическому 0, которое поступает на второй вход логической схемы И 17 и через второй диод 23 формирует на входе первой КМОП ИС логического инвертора 16 низкое напряжение 31, эквивалентное логическому 0. При этом на выходе логической схемы И 17 будет напряжение 33, эквивалентное логической 1, а на затвор полевого транзистора 5 от третьей КМОП ИС логического инвертора 19 подается низкое напряжение 34, которое через первый диод 21 и второй резистор 14 обнуляет напряжение 30 на времязадающем конденсаторе 12. При этом напряжение на конденсаторе последовательной RC-цепи 22 близко к напряжению питания КМОП ИС.

В момент времени t₁ энергия, накопленная в трансформаторе 1 в предыдущий цикл, полностью переходит в конденсаторы 3 фильтров, и напряжение на обмотках трансформатора 1 изменяет свою полярность. На вход второй КМОП ИС логического инвертора 18 от обмотки обратной связи 6 трансформатора 1 поступает через пятый резистор 24 низкое напряжение 28, эквивалентное логическому 0. На выходе второй КМОП ИС логического инвертора 18 появляется высокое напряжение 29, эквивалентное логической 1, при этом на первом входе логической схемы И 17 уже имеется напряжение 32, эквивалентное логической 1 и, следовательно, на выходе логической схемы И 17 появляется напряжение, эквивалентное логическому 0, которое через третьей КМОП ИС логического инвертора 19 отпирает полевой транзистор 5, и в трансформаторе 1 начинается процесс накопление энергии от источника входного напряжения. Одновременно запирается первый диод 21 и на времязадающем конденсаторе 12 начинает формироваться пилообразное напряжение 30 через цепь из второго 14 и третьего 15 резисторов. Кроме этого, напряжение отрицательного фронта 33 с выхода логической схемы И 17 через последовательную RC цепь 22, постоянная времени которой гораздо меньше чем постоянная времени конденсатора 12 и цепи из второго 14 и третьего 15 резисторов, подается на вход первой КМОП ИС логического инвертора 16, где суммируется с напряжением пилообразного напряжения на времязадающем конденсаторе 12 и напряжением обратной связи, формирующимся на первом резисторе 13, величина которого определяется величиной тока в коллекторной цепи регулирующего транзистора 10, пропорционального величине отклонения выходного напряжения преобразователя от заданного значения.

По мере заряда времязадающего конденсатора 12 напряжение 31 на входе первой КМОП ИС логического инвертора 16 достигает в момент времени t₂ порога срабатывания КМОП ИС логического инвертора и напряжение на его выходе из положения логической 1 переходит в положение логического 0, а на выходе логической схемы И 17 - из положения логического 0 в положение логической 1. Указанный положительный фронт напряжения 33 через последовательную RC цепь 22 поступает на вход первой КМОП ИС логического инвертора 16 и форсирует переход указанного напряжения из положения логического 0 в положение логической 1, предотвращая возбуждение логических КМОП ИС при медленном переходе входного напряжения через порог срабатывания.

Напряжение логической 1 с выхода логической схемы И 17 формирует на выходе третьей КМОП ИС логического инвертора 19 низкое напряжение 34 логического 0, которое запирает полевой транзистор 5 и через второй диод 21 и второй резистор 14 разряжает 30 времязадающий конденсатор 12. По мере запирания полевого транзистора 5 напряжение на его стоке возрастает, а напряжение 28 на выходных обмотках и на обмотке обратной связи 6 в момент времени t₃ меняет полярность и при возрастании выше порога срабатывания второй КМОП ИС логического инвертора 18, в момент времени t₃, на второй вход логической схемы И 17 поступает логический 0, фиксирующий запирающее напряжение 34 на выходе третьей КМОП ИС логического инвертора 19. Кроме этого, напряжение 31 на входе первой КМОП ИС логического инвертора 16, благодаря наличию первого диода 23, снижается ниже порога срабатывания КМОП ИС логического инвертора и напряжение на его выходе переходит из положения логической 1 в положение логического 0, а напряжение на конденсаторе последовательной RC цепи 22 становится близко к напряжению питания КМОП ИС.

Далее начинается медленный процесс передачи энергии, накопленной в трансформаторе 1, от вторичных обмоток через диодные выпрямители 2 к выходным выводам, шунтированным конденсаторами фильтра 3 до момента времени t₄, когда начинается новый цикл работы однотактного преобразователя постоянного напряжения.

При изменении входного напряжения или выходного тока для поддержания выходного напряжения на заданном уровне время накопления энергии в трансформаторе 1 меняется. На рисунке 3 показаны диаграммы напряжений соответственно при нормальной работе однотактного преобразователя постоянного напряжения, в режиме холостого хода и при минимально допустимом входном напряжении и максимальной нагрузке.

Как видно из диаграмм на рисунке 3, в заявленном устройстве при малых длительностях отпирающих импульсов на затворе полевого транзистора время отпирания определяется не времязадающим конденсатором 12, а постоянной времени последовательной RC цепи 22, при этом амплитуда напряжения на входе первой КМОП ИС логического инвертора 16 не изменяется и, следовательно, система регулирования работает в заданном устойчивом режиме, так как напряжения помехи в этом случае, как и при нормальном режиме работы, гораздо меньше амплитуды рабочих напряжений.

Таким образом, введение последовательная RC цепи 22, включенной между выходом логической схемы И 17 и входом первой КМОП ИС логического инвертора 16, соединенным через прямовключенный второй диод 23 с выходом второй КМОП ИС логического инвертора 18, вход которой через пятый резистор 24 соединен с концом обмотки обратной связи 6 трансформатора 1, позволило повысить надежность устройства.

Для повышения коэффициента стабилизации выходного напряжения однотактного преобразователя постоянного напряжения обратная связь может быть взята с одного из выходов. На рисунке 2 приведен пример выполнения такого устройства, в котором введен второй регулирующий транзистор 25, управляющий переход которого соединен через узел гальванической развязки 26 с одним из выходных выводов устройства. Таким образом, происходит стабилизация напряжения с учетом внутреннего сопротивления обмоток трансформатора 1 и диодного выпрямителя 2.

Техническим результатом от использования предлагаемого технического решения является исключение потери устойчивости регулирования в режиме холостого хода и повышение надежности устройства в целом.

1. Однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий трансформатор, вторичные обмотки которого подключены через диодные выпрямители к выходным выводам одного или нескольких выходов преобразователя, шунтированным конденсаторами фильтра, начало первичной обмотки подсоединено к первому входному выводу, а конец - к стоку полевого транзистора, исток которого подсоединен к общему входному выводу и к началу обмотки обратной связи трансформатора, соединенной через выпрямительный диод с конденсатором фильтра, параллельно которому включен делитель обратной связи, средний вывод которого подключен к эмиттеру регулирующего транзистора, база которого подсоединена к среднему выводу последовательной цепи из резистора и стабилитрона, включенной между соответственно первым и общим входными выводами, времязадающий конденсатор, первый вывод которого подключен к общему входному выводу, а второй вывод - через первый резистор к коллектору регулирующего транзистора и через последовательную цепь из второго и третьего резисторов к первому входному выводу, первая КМОП ИС логического инвертора, вход которой подключен к коллектору регулирующего транзистора, а выход - к первому входу логической схемы И, второй вход которой подключен к выходу второй КМОП ИС логического инвертора, а выход - ко входу третьей КМОП ИС логического инвертора, выход которой соединен через четвертый резистор с затвором полевого транзистора и через первый встречно включенный диод - с точкой соединения второго и третьего резисторов, отличающийся тем, что с целью повышения надежности введена последовательная RC-цепь, включенная между выходом логической схемы И и входом первой КМОП ИС логического инвертора, соединенной через прямовключенный второй диод с выходом второй КМОП ИС логического инвертора, вход которой через пятый резистор соединен с концом обмотки обратной связи трансформатора.

2. Однотактный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что для повышения коэффициента стабилизации выходного напряжения в устройство введен второй регулирующий транзистор, база-коллекторный переход которого включен параллельно база-коллекторному переходу первого регулирующего транзистора, а база-эмиттерный переход соединен через узел гальванической развязки с выходными выводами одного из выходов преобразователя.