Преобразователь постоянного напряжения

 

Использование: в качестве источника вторичного электропитания и получения постоянных, гальванически развязанных напряжений систем автоматики или радиоэлектроники. Сущность изобретения: преобразователь содержит силовой МДП-транзистор 1 с положительной регенеративной обратной связью от управляющей обмотки 7 трансформатора 3. Управление работой транзистора 1 осуществляется логическим инвертором 14 с открытым стоком. Первоначальное открывание транзистора 1 осуществляется током через резистор 8. Транзистор 1 может работать как в режиме непрерывных токов, так и прерывистых, так как управление им осуществляется независимо от наличия или отсутствия напряжения на управляющей обмотке 7. С помощью времязадающего конденсатора 6 формируются два этапа работы преобразователя: открытое состояние транзистора 1 и запертое. Определение уровня напряжения на конденсаторе 6 выполняется КМОП ИС-триггера Шмитта 16. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к транзисторным импульсным преобразователям постоянного напряжения, использующимся для получения выходных постоянных гальванически развязанных напряжений и предназначенных для вторичного электропитания систем автоматики или радиоэлектроники.

Известны импульсные преобразователи, у которых в качестве силового ключа используется МДП- транзистор [1] Преимуществом подобных устройств являются малая мощность управления силовым ключом, повышенная частота преобразования и высокая надежность работы.

Известны стабилизирующие транзисторные преобразователи, у которых управление МДП-транзистором осуществляется потенциальным способом от транзисторных схем [2] Недостатком таких преобразователей является сложность схемы, большое число элементов и то, что согласование уровня напряжения затвор-исток МДП-транзистора с первичным напряжением или напряжением, питающим схему управления, выполнено с энергетической точки зрения неоптимально.

Более оптимальными являются транзисторные преобразователи, у которых напряжение на затвор подается через согласующий трансформатор [3] Недостатком подобных устройств является сложность схемы, большое число элементов, а значит неудовлетворительные массогабаритные характеристики.

Простой схемой обладает транзисторный преобразователь постоянного напряжения, имеющий дополнительный трансформатор, который управляет работой силового МДП-транзистора и определяет длительность его включенного состояния, так как это трансформатор работает с заходом в режим насыщения [4] Недостатком такого устройства является наличие дополнительного трансформатора, что препятствует микроминиатюризации.

Известен также транзисторный преобразователь, у которого отсутствует дополнительный трансформатор, а управление МДП-транзистором осуществляется от управляющей обмотки силового трансформатора преобразователя [5] Это устройство является наиболее близким к предлагаемому по технической сущности процессов работы и по схемотехнике. Здесь первоначальное открывание МДП транзистора осуществляется через резистор, подключенный между затвором и положительным полюсом первичного источника питания, а последующее открытое состояние поддерживается за счет напряжения на базовой обмотке силового трансформатора. Длительность включенного состояния МДП-транзистора определяется постоянной времени заряда времязадающего конденсатора, подключенного параллельно базоэмиттерной цепи биполярного транзистора, а длительность запертого состояния МДП-транзистора равна длительности разряда индуктивности выходной обмотки силового трансформатора в нагрузку.

Недостатком подобного преобразователя являются ограниченные функциональные возможности его применения. В частности, этот преобразователь не может работать в режиме непрерывных токов, так как открывание МДП-транзистора может наступить только после того как напряжение на базовой обмотке уменьшится до нуля, а это наступит только после полного разряда индуктивности выходной обмотки в нагрузку. Кроме того, так как биполярный транзистор обладает низким входным сопротивлением (относительно полевого транзистора), то емкость времязадающего конденсатора и мощность, потребляемая им, значительны, что снижает КПД устройства и препятствует микроминиатюризации. Вместе с этим, использование в этой схеме МДП и биполярного транзисторов ухудшает возможности использования преобразователя в виде единой монолитной ИС.

Целью изобретения является устранение этих недостатков, а именно расширение функциональных возможностей применения преобразователя в современных высокоэффективных системах вторичного электропитания за счет достижения работоспособности в широком диапазоне изменения нагрузок, то есть в режимах непрерывного и прерывистых токов, а также за счет применения КМОП ИС, совместимых по технологии изготовления с МДП-транзисторами, улучшения массогабаритных характеристик, снижения потребляемой и рассеиваемой мощности и уменьшения стоимости изготовления.

Указанная цель достигается тем, что широкий диапазон работы преобразователя обеспечивается за счет формирования длительности включенного и выключенного состояний МДП-транзистора одним времязадающим конденсатором на этапах его заряда и разряда при помощи двух соответствующих постоянных времени заряда и разряда и зависимости от сигнала обратной связи преобразователя. МДП-транзистор открываться или запираться независимо от наличия тока в приведенной индуктивности намагничивания силового трансформатора. Шунтирование входной цепи МДП-транзистора осуществляется КМОП ИС-логическим инвертором с открытым стоком, а контроль уровней напряжения на времязадающем конденсаторе, определяющих моменты включения и выключения МДП-транзистора, выполняется КМОП ИС-триггером Шмитта с большим входным сопротивлением. Управление работой МДП-транзистора осуществляется без биполярных транзисторов, а только КМОП ИС, которые обладают большим входным сопротивлением и чрезвычайно малым энергопотреблением.

На фиг. 1 приведена схема преобразователя постоянного напряжения; на фиг. 2 временные диаграммы его работы.

Преобразователь постоянного напряжения содержит МДП-транзистор 1, сток которого подключен к концу первичной обмотки 2 трансформатора 3, началом соединенной с положительным полюсом 4 первичного источника питания. Исток транзистора 1 подключен к отрицательному полюсу 5 первичного источника питания, к первому выводу времязадающего конденсатора 6 и к концу управляющей обмотки 7 трансформатора 3. Затвор транзистора 1 соединен с одними из выводов включающего резистора 8 и ускоряющей RC-цепи, состоящей из параллельного соединения ускоряющего конденсатора 9 и ускоряющего резистора 10. Другие выводы резистора 8 и ускоряющей RC-цепи подключены к полюсу 5 первичного источника питания и к катоду входного диода 11 соответственно. Анод диода 11 соединен с началом обмотки 7 трансформатора 3, катодом разрядного диода 12 и анодом зарядного диода 13. Затвор транзистора 1 подключен к выходу КМОП ИС с открытым стоком 14, входом соединенного с выходом КМОП ИС логического инвертора 15, вход которого соединен с выходом КМОП ИС-триггера Шмитта 16, входом подключенного к второму выводу времязадающего конденсатора 6 и первыми выводами зарядного 17 и разрядного 18 резисторов, вторыми выводами соединенных с катодом зарядного диода 13 и с анодом разрядного диода 12 соответственно. Вторичная обмотка 19 трансформатора 3 концом подключена к аноду выпрямительного диода 20, катод которого соединен с первым выводом 21 для подключения нагрузки, первым выводом фильтрующего конденсатора 22 и с одним из входов узла сравнения 23. Начало вторичной обмотки 19 подключено к второму выводу 24 для подключения нагрузки, второму выводу фильтрующего конденсатора 22 и к другому входу узла сравнения 23. К выходам узла сравнения 23 подключен светодиод 25 оптопары 26. Коллектор фототранзистора n-p-n-проводимости через ограничивающий резистор 28 соединен с катодом зарядного диода, а эмиттер с входом КМОП ИС-триггера Шмитта 16.

Временные диаграммы содержит эпюры: 29 ток стока МДП-транзистора 1; 30 ток разряда индуктивности вторичной обмотки 19 трансформатора 3; 31 - напряжение на управляющей обмотке 7 трансформатора 3; 32 напряжение на времязадающем конденсаторе 6; 33 напряжение затвор-сток МДП транзистора 1.

Преобразователь постоянного напряжения работает следующим образом.

Рассмотрим установившиеся процессы работы схемы в режиме непрерывных токов, сделав позже пояснения об особенностях работы в режиме прерывистых токов.

В момент времени t1 (см. временные диаграммы фиг. 2) МДП-транзистор 1 открывается за счет тока, протекающего по включающему резистору 8 и заряжающему емкость затвор-исток транзистора 1. Когда она зарядится до напряжения включения транзистора 1, последний войдет в линейный режим и через его переходы сток-исток начнет протекать ток стока, что повлечет за собой появление на управляющей обмотке 7 трансформатора 3 положительного импульса напряжения. За счет ускоряющего конденсатора 9 процесс дальнейшего отпирания транзистора 1 формируется и он переходит в режим полного открывания.

Одновременно с этим положительной полярностью напряжения обмотки 7 через зарядные диод 13 и резистор 17 заряжается времязадающий конденсатор 6 (см. эпюры 31 и 32) от ранее существовавшего на нем начального напряжения U_пор.2. На входе триггера Шмитта 16 в это время существует квазинулевое напряжение, которое определяет его единичный выходной уровень логического сигнала. В соответствии с передачей логических сигналов через инверторы 15 и 14, на выходе инвертора с открытым стоком 14 появится единичный уровень логического сигнала. Так как при этом выходной транзистор этого инвертора заперт, то он не влияет на уровень напряжения на затворе МДП-транзистора 1. На протяжении времени от t1 и t2 МДП-транзистор 1 будет открыт.

Заряд конденсатора 6 приводит к увеличению на нем напряжения и по достижению времени t2 напряжение на нем достигает величины U_пор.1. Это вызовет переключение КМОП ИС триггера Шмитта 16, выход которого примет нулевое логическое состояние. Тогда выход инвертора КМОП ИС с открытым стоком 14 примет открытое (нулевое) состояние чем шунтируется вход транзистора 1 и формированно перезаряжаются его межэлектродные емкости. Транзистор 1 запирается. Открывается выпрямительный диод 20 и через него начинает протекать ток, накопленный ранее в индуктивности намагничивания трансформатора 3, обусловливая подзаряд фильтрующего конденсатора 22 и обеспечивая непрерывность и достаточно малые пульсации напряжения на выводах 21 и 24 подключения нагрузки.

С момента времени t2 через резистор 18 и диод 12 на обмотку 7 трансформатора 3 начинается разряд конденсатора 6, так как на ней появляется отрицательный импульс напряжения, запирающий входной диод 11. Триггер Шмитта 16 на этом интервале времени не меняет своего состояния в силу имеющегося у него напряжения гистерезиса, равного Uг U_пор.1 U_пор.2. Ускоряющий конденсатор 9 разряжается на ускоряющий резистор 10.

По мере разряда времязадающего конденсатора 6 напряжение на нем снижается, и, когда оно достигнет уровня U_пор.2, КМОП ИС-триггера Шмитта 16 переключится в другое состояние. Его выход принимает единичное состояние. Тогда выходной транзистор КМОП ИС с открытым стоком 14 запирается и снимается шунтирование входа МДП-транзистора 1. Тогда напряжение затвор-исток начнет увеличиваться за счет тока, протекающего через включающий резистор 8.

Далее после открывания транзистора 1 и входа его в линейный режим работы процессы повторяются аналогично описанным.

Таким образом, длительность открытого состояния МДП-транзистора определяется временем заряда времязадающего конденсатора 6 от напряжения U_пор.2 до U_пор.1. Длительность закрытого состояния транзистора 1 определяется длительностью разряда конденсатора 6 от U_пор.1 до U_пор.2.

В режиме непрерывных токов, когда напряжения на обмотках трансформатора 3 на протяжении интервала времени от t2 до t3 не изменяют свой полярности и не снижаются до нуля, длительность разряда времязадающего конденсатора 6, а, следовательно, и длительность запертого состояния МДП-транзистора 1 не зависит от степени разряда индуктивности обмотки 19 на нагрузку 21, 24.

С увеличением первичного напряжения на выводах 4 и 5 увеличивается отрицательное напряжение на управляющей обмотке 7 трансформатора 3. Это вызовет ускорение разряда конденсатора 6 и уменьшение длительности его заряда до уровня U_пор.1, что вызовет уменьшение длительности открытого состояния МДП-транзистора 1, снижению величины накопленного тока в индуктивности намагничивания трансформатора 3, а значит к уменьшению напряжения на нагрузке 21, 24. То есть происходит параметрическая стабилизация выходного напряжения преобразователя.

Цепь стабилизирующей обратной связи работает следующим образом.

Если по каким-то причинам напряжение на нагрузке 21, 24 увеличивается, то узел сравнения 23 отрабатывает это таким образом, что светодиод 25 оптопары 26 начинает светиться ярче. Увеличивается степень открывания фототранзистора 27 оптопары 26, что приводит к уменьшению величины сопротивления в цепи заряда конденсатора 6, так как фототранзистор 27 совместно с ограничивающим резистором 28 подключен параллельно зарядному резистору 17. Длительность заряда конденсатора 6 до уровня напряжения U_пор.1 уменьшается, что вызовет уменьшение длительности открытого состояния МДП-транзистора 1, а, следовательно, и уменьшение напряжения на нагрузке 21, 24. Если рассмотреть уменьшение напряжения на нагрузке 21, 24, то процессы происходят в обратном порядке. Описанными процессами выходное напряжение поддерживается на требуемом уровне.

Если преобразователь переходит в режим прерывистых токов, например, при снижении нагрузки или по другим причинам, то это не приведет к нарушению работы схемы и стабильности выходного напряжения преобразователя. В этом случае формам напряжения разряда времязадающего конденсатора 6 на интервале времени от t2 до t3 приобретет вид ломаной линии. Это обусловлено тем, что на интервале времени наличия тока разряда обмотки 19 трансформатора 3 на управляющей обмотке 7 будет присутствовать отрицательное напряжение, а после полного разряда обмотки 19 напряжение на обмотке 7 примет нулевое значение. Таким образом, на начальной стадии скорость разряда времязадающего конденсатора 6 будет больше, чем на последующей. Цепь стабилизирующей обратной связи через оптопару 26 скомпенсирует изменения скорости разряда конденсатора 6. Ограничивающий резистор 28 служит для ограничения величины регулирующего воздействия по цепи обратной связи и улучшает устойчивость стабилизирующего преобразователя.

Следовательно, рассматриваемый преобразователь постоянного напряжения обеспечивает стабилизацию напряжения на нагрузке 21, 24. За счет применения КМОП ИС логических схем 14, 15, 16 достигается лучшая технологическая совместимость при изготовлении монолитных ИС, снижается рассеиваемая и потребляемая мощность и повышается надежность работы. При этом обеспечивается работоспособность преобразователя как в режиме прерывистых токов, так и непрерывных. Этим расширяются функциональные возможности применения преобразователя.

Формула изобретения

Преобразователь постоянного напряжения, содержащий МДП транзистор с n каналом, сток которого соединен с концом первичной обмотки трансформатора, начало которой подключено к выводу для подключения положительного полюса первичного источника питания и к первому выводу включающего резистора, исток МДП транзистора соединен с выводом для подключения отрицательного полюса первичного источника питания, с первым выводом времязадающего конденсатора и с концом управляющей обмотки трансформатора, а затвор с вторым выводом включающего резистора, зарядный резистор, первый вывод которого подключен к второму выводу времязадающего конденсатора, выпрямительный диод анодом соединен с концом вторичной обмотки трансформатора, а катодом с первым выводом фильтрующего конденсатора и с первым выводом для подключения нагрузки, узел сравнения, первый входной вывод которого соединен с первым выводом для подключения нагрузки, второй входной вывод подключен к второму выводу фильтрующего конденсатора и к второму выводу для подключения нагрузки, оптопару, светодиод которой подключен к выходу узла сравнения, ограничивающий резистор, первый вывод которого соединен с коллектором п-р-п фототранзистора, оптопары, эмиттером подключенного к первому выводу зарядного резистора, входной диод и ускоряющую RC цепь, состоящую из параллельно соединенных ускоряющего конденсатора и ускоряющего резистора, первый вывод ускоряющей RC - цепи подключен к катоду входного диода, и разрядный диод, отличающийся тем, что в него введены соединенные последовательно КМОП ИС триггера Шмитта, КМОП ИС логического инвертора и КМОП ИС логического инвертора с открытым стоком, разрядный резистор и зарядный диод, причем вход КМОП ИС триггера Шмитта подключен к времязадающему конденсатору, второй вывод которого соединен с первым выводом разрядного резистора, вторым выводом подключенного к аноду разрядного диода, катод которого соединен с анодом зарядного диода, с анодом входного диода и с началом управляющей обмотки трансформатора, катод зарядного диода подключен к вторым выводам ограничивающего и зарядного резисторов, второй вывод ускоряющей RC цепи соединен с затвором МДП-транзистора, к которому подключен также выходной вывод КМОП ИС логического инвертора с открытым стоком.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2