Преобразователь напряжения с быстродействующей обратной связью

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в импульсных источниках вторичного электропитания (ИВЭП) в качестве схемы регулирования параметров выходного сигнала с использованием цепи обратной связи (OC). Цель - формирование в каждом такте преобразования быстродействующей суммарной ОС по входному току и выходному напряжению для уменьшения длительности переходных процессов при набросе/сбросе нагрузки, а также уменьшение амплитуды пульсации выходного напряжения при сохранении высокой точности стабилизации выходного напряжения. Данная цель достигается за счет упрощения схемы ОС по напряжению и уменьшения индуктивности обмоток разделительного трансформатора.

Область техники

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в импульсных источниках вторичного электропитания (ИВЭП) в качестве схемы регулирования параметров выходного сигнала с использованием цепи обратной связи (ОС).

Уровень техники

Для стабилизации выходного напряжения ИВЭП в условиях изменения тока нагрузки используют ОС по выходному напряжению и входному или выходному току. Быстродействие ОС сказывается на качестве выходного напряжения, особенно при импульсной нагрузке ИВЭП.

При подключении преобразователя с ОС по выходному напряжению и току к импульсной нагрузке, например к энергоемкой процессорной системе, имеющей колебания нагрузки с частотой значительно большей рабочей частоты преобразователя возможен резкий наброс или сброс нагрузки, что может привести к значительным броскам выходного напряжения преобразователя, приводящим к сбоям процессорных систем. Что бы избежать подобных явлений, рядом с энергоемкими потребителями устанавливаются накопительные емкости, достигающие значений нескольких сотен тысяч микрофарад, что в свою очередь требует от преобразователя кратковременную работу в режиме короткого замыкания при включении энергоемких потребителей, т.е. появляются специальные требования к преобразователям.

Уменьшить накопительную емкость энергоемких систем можно, увеличивая быстродействие ОС преобразователя.

Известно устройство (патент RU 2301438 «Вторичный источник питания», приоритет от 7.11.2005 г., МПК G05F 1/571, H02M 3/335), в котором основной целью является создание вторичного источника питания, работающего в широком диапазоне значений входного напряжения, формирование суммарного сигнала ОС из сигналов датчика тока и дополнительной обмотки силового трансформатора.

Недостатками данного устройства являются: низкое быстродействие сигнала ОС из-за значительной величины емкости 10, что приводит к невозможности отслеживания выходного напряжения в каждом периоде преобразования и как следствие низкое быстродействие ОС по напряжению и большая суммарная нестабильность выходного напряжения при импульсной нагрузке преобразователя.

Известно устройство (патент US 4862339 «DC power supply with improved output stabilizing feedback», приоритет от 05.06.1987 г., МПК H02M 3/335, H02M 1/08), выбранный в качестве прототипа (фиг.1), основной целью которого является упрощение цепи ОС без использования дополнительного источника питания, получение информации ОС в каждом такте преобразования по выходному напряжению, независимой от входного, и основанное на этом принципе получение информации ОС при защите от КЗ и перенапряжений на выходе.

Используется принцип передачи аналогового сигнала через разделительный трансформатор в каждом такте преобразователя при помощи импульсного сигнала вторичной обмотки силового трансформатора.

Недостатками данного устройства являются:

1. низкое быстродействие сигнала ОС из-за:

- применения пикового детектора (диода 282 и конденсатора 284) в узле формирования сигнала стабилизации 28, постоянная времени которого зависит от величины емкости конденсатора 284 и динамического сопротивления и емкости диода 282 (заряд емкости 284), сопротивления 286 и входного сопротивления ШИМ-контроллера 40 (разряд емкости 284);

- увеличенной индуктивности обмоток трансформатора 26, т.к. надо преодолеть падение напряжения на диоде 282,

2. отсутствует ОС по входному току, что может привести к выходу из строя транзистора 14.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлен прототип заявляемой полезной модели.

На фиг.2 представлен преобразователь напряжения с быстродействующей ОС.

На фиг.3 изображен преобразователь напряжения с быстродействующей ОС по входному току и выходному напряжению выполненный по: а) обратноходовой схеме с трансформаторным датчиком тока; б) прямоходовой схеме с трансформаторным датчиком тока; в) обратноходовой схеме с резистивным датчиком тока; г) прямоходовой схеме с резистивным датчиком тока.

На фиг.4 приведены временные диаграммы предлагаемого преобразователя напряжения: а) напряжение датчика тока; б) суммарное напряжение датчика тока и ОС по выходному напряжению в точке соединения резисторов R2 и R3; в) суммарное напряжение на входе CS контроллера PWM; г) затворные импульсы транзистора VT1.

На фиг.5 приведены временные диаграммы выходного напряжения при: а) набросе и б) сбросе нагрузки.

Сущность полезной модели

Цель - формирование в каждом такте преобразования быстродействующей суммарной ОС по входному току и выходному напряжению для уменьшения длительности переходных процессов при набросе/сбросе нагрузки, а также уменьшение амплитуды пульсации выходного напряжения при сохранении высокой точности стабилизации выходного напряжения.

Данная цель достигается за счет упрощения схемы ОС по напряжению и уменьшения индуктивности обмоток разделительного трансформатора.

Преобразователь напряжения с быстродействующей ОС (фиг.2) содержит: цепь первичной обмотки 1 первого трансформатора 2, включающую: силовой ключ 1.1, соединенный управляющим выводом с первым выводом устройства управления 1.2; цепь вторичной обмотки 3 первого трансформатора 2; цепь ОС, включающую: делитель напряжения 4, подключенный к выходу цепи вторичной обмотки 3 первого трансформатора 2; устройство сравнения 5, подключенное к выходу делителя напряжения 4; последовательно соединенные с выходом устройства сравнения 5: первичная обмотка второго трансформатора 6, первый диод 11 и первый резистор 10, соединенный с цепью вторичной обмотки 3 первого трансформатора 2, причем цепь первичной обмотки 1 первого трансформатора 2 содержит: датчик тока 1.3, подключенный первым выводом ко второму выводу устройства управления 1.2 через последовательно соединенные второй 9 и третий 8 резисторы; первый конденсатор 7, подключенный одним выводом ко второму выводу устройства управления 1.2, а другим к третьему выводу устройства управления 1.2 и второму выводу датчика тока 1.3; выводы вторичной обмотки второго трансформатора 6 соединенные с выводами второго резистора 9 напрямую.

На фиг.3а-3г приведены варианты исполнения полезной модели.

Возможен вариант (фиг.3а и 3б), при котором преобразователь напряжения с быстродействующей ОС построено по схеме прямоходового преобразователя и первый резистор подключен к одному выводу вторичной обмотки первого трансформатора.

Возможен вариант (фиг.3в и 3г), при котором преобразователь напряжения с быстродействующей ОС построено по схеме обратноходового преобразователя и первый трансформатор имеет дополнительную вторичную обмотку, один вывод которой подключен к первому резистору, другой подключен к цепи возврата тока вторичной обмотки первого трансформатора.

Датчик тока может быть как резистивным (R5 фиг.3в и 3г), так и трансформаторным (T1, R5 фиг.3а и 3б). Устройство сравнения D1 может быть выполнено, например, на микросхеме TL431 (управляемом стабилитроне).

Сопоставительный анализ с прототипом (фиг.1) показывает, что заявляемый преобразователь напряжения с быстродействующей ОС отличается отсутствием выпрямителя 282 и емкости 284 в цепи вторичной обмотки второго трансформатора и наличием датчика тока, включенного в цепь входного напряжения, выдающего сигнал с информацией о входном токе ИВЭП, который суммируется с сигналом ОС по напряжению с вторичной обмотки второго трансформатора в каждом такте преобразования, Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».

В соответствии с предпочтительным вариантом исполнения полезной модели (фиг.3а и 3б) устройство работает следующим образом.

После включения транзистора VT1 (фиг.4г) ток протекающий через первичную обмотку трансформатора тока T1.1 вызывает ток во вторичной обмотке T1.2, который создает напряжение на резисторе R5 формирующий сигнал ОС по току (фиг.4а).

В то же время на обмотке трансформатора T2.2 (фиг.3а) или на вторичной обмотке трансформатора T2 (фиг.3б) увеличивается напряжение, ток которого через резистор R1 и диод VD1 проходит по первичной обмотке разделительного трансформатора T3. Ток, протекающий по первичной обмотке трансформатора T3, зависит от степени открытия выходного транзистора микросхемы D1, которое зависит от выходного напряжения Uout поступающего с делителя R6, R7. Принцип передачи аналогового сигнала через разделительный трансформатор в каждом такте преобразования с применением импульсов вторичной обмотки силового трансформатора подробно описан в прототипе.

Если выходное напряжение Uout меньше напряжения стабилизации преобразователя, то выходной транзистор микросхемы D1 закрыт и ток через первичную обмотку трансформатора T3 равен нулю, напряжение ОС на вторичной обмотке трансформатора T3 не формируется и не выделяется на резисторе R3, напряжение ОС по входному току резистора R5 управляет работой преобразователя в каждом такте преобразования.

Если выходное напряжение Uout больше напряжения стабилизации преобразователя, то выходной транзистор микросхемы D1 открыт и ток через первичную обмотку трансформатора T3 максимален, напряжение ОС на вторичной обмотке трансформатора T3 выделяется на резисторе R3, суммируясь с напряжением ОС по входному току резистора R5 управляет работой преобразователя в каждом такте преобразования.

Управление работой преобразователя в каждом такте преобразования производится следующим образом: суммарное напряжение ОС по выходному напряжению и входному току (фиг.4, луч 2) в каждом такте преобразования проходит через интегрирующую цепочку R2, C1 с постоянной времени 0,1·Tпреобр для подавления импульсных помех (фиг.4, луч 3) и поступает на вход ОС по току (CS) ШИМ-контроллера PWM. При достижении порогового значения напряжения ШИМ-контроллер PWM выключает транзистор VT1 (фиг.4, луч 4), формируя на выходе преобразователя выходное напряжение с прецизионной точностью ±0,20,3%.

При возникновении наброса нагрузки напряжение на выходе мгновенно падает, ОС по напряжению за счет своего высокого быстродействия в течение нескольких тактов преобразования восстанавливает выходное напряжение (фиг.5а). При возникновении сброса нагрузки напряжение на выходе мгновенно возрастает, ОС по напряжению за счет своего высокого быстродействия в течение нескольких тактов преобразования восстанавливает выходное напряжение (фиг.5б).

Разница во времени восстановления выходного напряжения при набросе и сбросе нагрузки обусловлена отсутствием токов разряда конденсатора C1 через трансформатор T3 при возникновении сброса нагрузки, т.е. накачка его энергией в случае наброса нагрузки производится большим током трансформатора T3 при открытом выходном транзисторе микросхемы D1, а сброс его энергии производится через резисторы R3, R5, суммарное значение которых относительно велико.

Индуктивность трансформатора T3 также влияет на постоянную времени ОС по напряжению. В схеме прототипа (фиг.1) присутствует диод 282, падение напряжения на котором заставляет увеличивать выходное напряжение трансформатора T3 и, как следствие, увеличивается индуктивность вторичной обмотки разделительного трансформатора T3, что приводит в свою очередь к увеличению габаритных размеров ферромагнитного сердечника трансформатора T3 и к увеличению энергии передаваемой через него. Исключение диода 282 из предлагаемой схемы позволило не только увеличить быстродействие ОС по напряжению, но и уменьшить индуктивность вторичной обмотки, и как следствие, габаритные размеры разделительного трансформатора T3.

Экспериментальные данные, полученные при изготовлении преобразователей напряжения, по предлагаемой структуре приведены на осциллограммах (фиг.4 и 5), произошло удешевление и уменьшение габаритных размеров самого преобразователя. Накопительные емкости у энергоемкого потребителя уменьшились в 45 раз, что в свою очередь привело к уменьшению объема системы питания на 10-12%.

Предлагаемый преобразователь напряжения с быстродействующей ОС изготавливается из стандартных элементов, которые серийно выпускаются промышленностью. Оно собирается типовыми монтажными операциями с помощью стандартного оборудования и не требует регулировки, что особенно важно при серийном производстве. Поэтому предлагаемое устройство удовлетворяет критерию «промышленная применимость».

1. Преобразователь напряжения с быстродействующей обратной связью, содержащий: цепь первичной обмотки первого трансформатора, включающую: силовой ключ, соединенный управляющим выводом с первым выводом устройства управления; цепь вторичной обмотки первого трансформатора; цепь обратной связи, включающую: делитель напряжения, подключенный к выходу цепи вторичной обмотки первого трансформатора; устройство сравнения, подключенное к выходу делителя напряжения; последовательно соединенные с выходом устройства сравнения: первичная обмотка второго трансформатора, первый диод и первый резистор, соединенный с цепью вторичной обмотки первого трансформатора, отличающийся тем, что цепь первичной обмотки первого трансформатора содержит: датчик тока, подключенный первым выводом ко второму выводу устройства управления через последовательно соединенные второй и третий резисторы; первый конденсатор, подключенный одним выводом ко второму выводу устройства управления, а другим к третьему выводу устройства управления и второму выводу датчика тока; выводы вторичной обмотки второго трансформатора, соединенные с выводами второго резистора напрямую.

2. Преобразователь напряжения с быстродействующей обратной связью по п.1 отличающийся тем, что оно построено по схеме прямоходового преобразователя и первый резистор подключен к одному выводу вторичной обмотки первого трансформатора.

3. Преобразователь напряжения с быстродействующей обратной связью по п.1, отличающийся тем, что оно построено по схеме обратноходового преобразователя и первый трансформатор имеет дополнительную вторичную обмотку, один вывод которой подключен к первому резистору, другой подключен к цепи возврата тока вторичной обмотки первого трансформатора.