Импульсный преобразователь напряжения

Полезная модель относится к технике вторичных источников питания и предназначена для питания коммутирующих усилителей мощности - усилителей класса Е. Задачей полезной модели является значительное уменьшение изменений входной мощности за счет одновременного контроля выходных тока и напряжения. Импульсный преобразователь напряжения содержит силовой трансформатор, подключенный первым выводом первичной обмотки к входной шине U_перв устройства, включенные последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора электронный ключ и первый датчик контроля тока, выпрямитель, подключенный входом к выводам вторичной обмотки силового трансформатора, аттенюатор, подключенный входом к выходу выпрямителя, широтно-импульсный модулятор, подключенный выходом к управляющему входу электронного ключа, компаратор, подключенный выходом к первому входу модулятора, генератор пилообразных импульсов, подключенный выходом ко вторым входам модулятора и компаратора, пороговое устройство, подключенное входом к выходу первого датчика тока, а выходом

подключенное к третьему входу модулятора, усилитель сигнала ошибки, подключенный выходом к первому входу компаратора, и схему сервисного питания, подключенную соответствующими входами к шинам U_перв и U _втор устройства, а выходом подключенную к шине питания компонентов устройства U_серв, в него введены второй датчик контроля тока, подключенный соответствующими входами к выходу выпрямителя и выходной шине U_втор , второе пороговое устройство, подключенное входом к выходу второго датчика тока, аттенюатора и второго порогового устройства, а выходом подключенный к входу усилителя сигнала ошибки.

Полезная модель относится к технике вторичных источников питания и предназначена для питания коммутирующих усилителей мощности - усилителей класса Е [1].

Усилители класса Е работают с постоянным уровнем входного сигнала, в связи с чем для стабилизации выходной мощности усилителя при изменениях нагрузки необходимы соответствующие изменения питающего напряжения.

В известных импульсных преобразователях [2], используемых в качестве эффективных вторичных источников питания, стабилизируются или выходное напряжение или выходной ток.

Схема импульсного преобразователя со стабилизацией выходного напряжения приведена на фиг.1.

Преобразователь содержит силовой трансформатор 2, подключенный первым выводом первичной обмотки к шине U_перв устройства, включенные последовательно с первичной обмоткой трансформатора 2 электронный ключ 3 и датчик контроля тока 8, выпрямитель 7, подключенный входом к вторичной обмотке трансформатора 2, а выходом подключенный к шине U_втор устройства, аттенюатор 11, подключенный входом к выходу выпрямителя 7, широтно-импульсный модулятор 4, подключенный выходом к управляющему входу ключа 3, компаратор 5, подключенный

выходом к первому входу модулятора 4, генератор пилообразных импульсов 1, подключенный выходом к вторым входам модулятора 4 и компаратора 5, первое пороговое устройство 9, подключенное входом к выходу датчика тока 8, а выходом подключенное к третьему входу модулятора 4, усилитель сигнала ошибки 10, подключенный входом к выходу аттенюатора 11, а выходом подключенный к первому входу компаратора 5, и схему сервисного питания 6, подключенную первыми и вторым входами соответственно к шине U_перв и U_втор устройства, а выходом подключенную к шине питания всех активных элементов устройства U_серв.

Преобразователь работает следующим образом.

После подачи первичного напряжения на шину U_перв появляется напряжение на шине U_серв и начинает работать генератор пилообразных импульсов 1. С началом очередного импульса сигналом модулятора 4 открывается электронный ключ 3 на время, пока уровень напряжения в пилообразном импульсе не сравняется с уровнем выходного сигнала усилителя сигнала ошибки 10, что фиксируется компаратором 5, по сигналу которого модулятор 4 закрывает электронный ключ 3. Периодическое открывание электронного ключа 3 вызывает в первичной обмотке силового трансформатора 2, который наводит во вторичной обмотке переменное напряжение. После выпрямителя 7 получается постоянное напряжение U_втор с уровнем, пропорциональным уровню входного напряжения U _перв, отношению числа витков во вторичной и

первичной обмотках трансформатора 2 и длительности интервалов, в течение которых открыт электронный ключ 3.

Увеличение входного напряжения U_перв вызывает уменьшение длительности этих интервалов и наоборот. В результате уровень выходного напряжения U_втор остается постоянным с точностью величины ошибки, действующей на входе усилителя 10 и поддерживающей необходимую длительность интервалов, в течение которых открыт ключ 3. Величина ошибки определяется коэффициентом усиления усилителя 10. Величина тока в первичной обмотке трансформатора 2 контролируется с помощью датчика 8 и не может превосходить значения, задаваемого порогом срабатывания порогового устройства 9, по сигналу которого модулятор 4 переводится в состояние, соответствующее закрытому ключу 3. В установившемся режиме схема сервисного питания 6 переходит на работу от стабилизированного напряжения U_втор .

Описанное выше устройство выбрано в качестве прототипа.

Недостатком этого устройства с точки зрения его использования для питания усилителей мощности класса Е является отсутствие зависимости выходного напряжения от величины подключенной нагрузки, что приводит к большим изменениям выходной мощности преобразователя и, следовательно, подключенного к нему усилителя мощности. Так при обычно допустимых отклонениях сопротивления нагрузки усилителя на

±30% выходная мощность при постоянном напряжении изменяется в два раза.

Задачей полезной модели является значительное уменьшение изменений выходной мощности за счет одновременного контроля выходных тока и напряжения.

Для этого (смотри фиг.2) в импульсный преобразователь напряжения, содержащий силовой трансформатор 2, подключенный первым выводом первичной обмотки к входной шине U_перв устройства, включенные последовательно с первичной обмоткой трансформатора 2 электронный ключ 3 и первый датчик контроля тока 8, выпрямитель 7, подключенный входом к вторичной обмотке трансформатора 2, аттенюатор 12, подключенный входом к выходу выпрямителя 7, широтно-импульсный модулятор 4, подключенный выходом к управляющему входу ключа 3, компаратор 5, подключенный выходом к первому входу модулятора 4, генератор пилообразных импульсов 1, подключенный выходом ко вторым входам модулятора 4 и компаратора 5, пороговое устройство 9, подключенное входом к выходу первого датчика тока 8, а выходом подключенное к третьему входу модулятора 4, усилитель сигнала ошибки 10, подключенный выходом к первому входу компаратора 5, и схему сервисного питания 6, подключенную соответствующими входами к шинам U _перв и U_втор устройства, а выходом подключенную к шине питания компонентов устройства U _серв, введены второй датчик контроля тока 11,

подключенный соответствующими входами к выходу выпрямителя 7 и выходной шине U_втор, второе пороговое устройство 14, подключенное входом к выходу второго датчика тока 11, сумматор 13, подключенный соответствующими входами к выходам второго датчика тока 11, аттенюатора 12 и второго порогового устройства 14, а выходом подключенный к входу усилителя сигнала ошибки 10.

Предлагаемое техническое решение соответствует критерию «новизна», т.к. отличается от прототипа наличием новых функциональных элементов и новых связей между элементами.

Предлагаемое устройство работает аналогично прототипу, т.е. выходное напряжение U _втор пропорционально входному напряжению U _перв, отношению числа витков в обмотках силового трансформатора 2 и длительности интервалов, в течение которых открыт ключ 3.

Длительность этих интервалов и, следовательно, выходное напряжение U_втор устанавливаются такими, что при изменениях входного напряжения U_перв и нагрузки оставалась бы постоянной снимаемая с выхода сумматора 13 сумма выходных сигналов второго датчика тока 11 и аттенюатора 12 с точностью некоторой ошибки, действующей на вход усилителя 10.

При холостом ходе для предотвращения появления предельно высоких уровней выходного напряжения U_втор, опасных для подключаемой

аппаратуры, отсутствие сигнала второго датчика тока 11 компенсируется сигналом сработавшего при этом второго порогового устройства 14.

Сумма выходных сигналов датчика тока 11 и аттенюатора 12 определяется выражением

, где:

a, b - масштабные коэффициенты;

U _Н - напряжение на выходе U_втор;

I_Н - ток на выходе U _втор, равный ;

С - постоянная величина.

При номинальной нагрузке R₀ и номинальном выходном напряжении U_втор=U₀ масштабные коэффициенты а и b определяются из условия

Подстановка значений коэффициентов в первоначальное выражение дает

, где

- номинальная мощность.

При =0,7	Р=0,961P0
При =1,3	Р=0,983P0

Таким образом, при изменении нагрузки в пределах R₀±30% выходная мощность у предлагаемого устройства изменяется в пределах существенно меньших, чем у прототипа (5% вместо 2 раз), т.е. поставленная цель достигнута.

Источники информации

1. Design and Development of the Class E RF Power Amplifier Prototype by Using a Power MOSFET. University of Kansas http://cresis.ku.edu Technical Report CReSIS TR 129 July 23, 2007.

2. Головков А.В., Любицкий В.Б. Блоки питания для системных модулей типа IBM PC-XT/AT. - М.: Лад и Н. 1995 г. - 92 с.

Импульсный преобразователь напряжения, содержащий силовой трансформатор, подключенный первым выводом первичной обмотки к входной шине U_перв устройства, включенные последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора электронный ключ и первый датчик контроля тока, выпрямитель, подключенный входом к выводам вторичной обмотки силового трансформатора, аттенюатор, подключенный входом к выходу выпрямителя, широтно-импульсный модулятор, подключенный выходом к управляющему входу электронного ключа, компаратор, подключенный выходом к первому входу модулятора, генератор пилообразных импульсов, подключенный выходом ко вторым входам модулятора и компаратора, пороговое устройство, подключенное входом к выходу первого датчика тока, а выходом подключенное к третьему входу модулятора, усилитель сигнала ошибки, подключенный выходом к первому входу компаратора, и схему сервисного питания, подключенную соответствующими входами к шинам U _перв и U_втор устройства, а выходом подключенную к шине питания компонентов устройства U _серв, отличающийся тем, что в него введены второй датчик контроля тока, подключенный соответствующими входами к выходу выпрямителя и выходной шине U_втор, второе пороговое устройство, подключенное входом к выходу второго датчика тока, аттенюатора и второго порогового устройства, а выходом подключенное к входу усилителя сигнала ошибки.