Перетворювач постійної напруги в постійну

Реферат: Перетворювач постійної напруги в постійну належить до електротехніки і може бути використаний для побудови різного класу однотактних і двотактних перетворювачів в системах електроживлення радіоапаратури. Перетворювач містить струмовий контролер в склад якого входить генератор, підсилювач сигналу помилки по напрузі, вихід якого під'єднаний через вузол порівняння до інверсного входу компаратора зворотного зв'язку по струму, вихід останнього під'єднаний до схеми широтно-імпульсного модулятора, вихід останнього через підсилювач контролера з'єднаний з силовим ключем (ключами) перетворювача, вхід генератора під'єднаниий до часозадавальної RC ланки, а вхід підсилювача сигналу помилки по напрузі закорочений на загальну шину GND, вихід якого під'єднаний до оптронної схеми зворотного зв'язку по напрузі, прямий вхід компаратора зворотного зв'язку по струму під'єднаний через випрямляч до трансформаторного датчика струму, і до останнього під'єднаний другий випрямляч з фільтром і навантаженням, вихід якого з'єднаний з першим входом підсилювача контролю навантаження, другий вхід останнього з виходом низькововольтного елемента опорної напруги. Вихід підсилювача контролю навантаження під'єднаний до додатково введеного елемента паралельного резистивного шунтування часозадавального резистора RC ланки генератора струмового контролера, при цьому підсилювач контролю навантаження містить масштабний підсилювач на операційному підсилювачі, вихід якого через базовий резистор під'єднаний до бази p-n-p транзистора, перехід емітер-колектор якого через часозадавальний резистор паралельно під'єднаний до основного резистора часозадавальної UA 115704 C2 (12) UA 115704 C2 RC ланки струмового контролера. Технічним результатом є розширення функціональних можливостей. UA 115704 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до електричних перетворювачів постійної напруги в постійну (DC-DC перетворювачів) з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ) і може бути використаний для побудови різного класу однотактних і двотактних перетворювачів в системах електроживлення радіоапаратури. Ряд схем DC-DC однотактних і двотактних перетворювачів з широтно-імпульсною модуляцією використовують відомі струмові контролери серії UCC28C42-45 [1], UCC2806 [6]. Схеми однотактних [15] і двотактного перетворювача [6]. Недоліком даних перетворювачів є практична неспроможність роботи в широкому діапазоні вхідних напруг і при широкій зміні струмів навантаження. Найбільш близьким по суттєвих ознаках до пристроїв, що заявляється, є схеми однотактних перетворювачів [7]. Однотактні [15] і двотактні [6] перетворювачі, побудовані з використанням струмових контролерів серії UCC28C42-45 [1], UCC2806 [6] і їм подібних. Вони функціонально індентичні і різняться тільки вихідним каскадом-однотактним або двотактним. Перетворювач містить струмовий контролер в склад якого входить OSC-генератор, підсилювач сигналу помилки по напрузі ERROR AMP, вихід якого під'єднаний через вузол порівняння до інверсного входу компаратора зворотного зв'язку по струму, вихід останнього під'єднаний до схеми широтно-імпульсного модулятора, вихід останнього через підсилювач контролера OUT1 (OUT2) з'єднананий з силовим ключем (ключами) перетворювача, вхід генератора RT/CT під'єднаниий до часозадавальної RC ланки, вхід підсилювача сигналу помилки по напрузі FB закорочений на загальну шину GND, вихід СОМР якого під'єднаний до оптроної схеми зворотного зв'язку по напрузі, а прямий вхід компаратора зворотного зв'язку по струму CS під'єднаний через випрямляч до трансформаторного датчика струму, і до останнього під'єднаний другий випрямляч з фільтром і навантаженням, вихід якого з'єднаний з першим входом підсилювача контролю навантаження, другий вхід якого з виходом низькововольтного елемента опорної напруги. В однотактних перетворювачах з використанням струмових контролерів серії UCC28C42-45 [1] і їм подібних використовуються один вихід контролера OUT1 з одним силовим ключем і силовим трансформатором та випрямлячем з вихідним фільтром. Аналогічним чином побудований двотактний перетворювач з використанням двотактного струмового контролера серії UCC2806 [2] і йому подібних з відмінністю в двох силових ключів, в силовому трансформаторі та в випрямлячі з вихідним фільтром, що загально відомо. Недоліком даних перетворювачів є практична нестабільність і не лінійність роботи, яка пов'язана з фізичним принципом регулювання (зміни) частоти роботи перетворювача. Це пов'язано з самим принципом паралельного резистивного шунтування конденсатора RC задавальної ланки. При розгляді еквівалентної схеми принципу взаємодії підсилювача з роздільним діодом і частотно-задавальної RC ланки бачимо, що зміна частоти роботи OSC-генератора проходить за допомогою шунтування конденсатора RC задаючої ланки, ланкою діод-резистор-перехід колектор-емітер транзистора (операційного підсилювача). Тобто конденсатор RC задавальної ланки генератора шунтується змінним резистором. Це шунтуваня впливає на лінійність частотної характеристики самого генератора струмового контролера - високий вхідний опір OSC-генератора не узгоджений з низьким опором шунтуючого резистора. Відповідно це призводить до нестабільної роботи і вузької зони регулювання. Крім цього, до конденсатора RC задавальної ланки додається послідовна індуктивність монтажу, що спричиняє низькочастотне релаксаційне збудження OSC-генератора. В основу винаходу поставлено задачу удосконалити схему перетворювача постійної напруги в постійну шляхом додаткового введення в схему елементу паралельного резистивного шунтування часозадавального резистора RC ланки OSC-генератора струмового контролера, що дає можливість, зберегти експлуатаційні характеристики струмових контролерів в частині генерації OSC-генератора з задавальною RC ланкою шляхом зміни тільки частотно задавального резистора R OSC-генератора, що приводить до зберігання стабільності, лінійності і надійністі роботи OSC-генератора, згідно з частотною характеристикою відображеної на Fig.5 [1]. Крім цього, винахід дозволяє розширити функціональні можливості, а саме можливість використання технічного рішення, як в однотактних, так і в двотактних перетворювачах. Поставлена задача вирішується тим, що в перетворювач постійної напруги в постійну, який містить струмовий контролер, в склад якого входить генератор, підсилювач сигналу помилки по напрузі, вихід якого під'єднаний через вузол порівняння до інверсного входу компаратора зворотного зв'язку по струму, вихід останнього під'єднаний до схеми широтно-імпульсного модулятора, вихід останнього через підсилювач контролера з'єднаний з силовим ключем 1 UA 115704 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 (ключами) перетворювача, вхід генератора під'єднаний до часозадавальної RC ланки, а вхід підсилювача сигналу помилки по напрузі закорочений на загальну шину GND, вихід якого під'єднаний до оптронної схеми зворотного зв'язку по напрузі, прямий вхід компаратора зворотного зв'язку по струму під'єднаний через випрямляч до трансформаторного датчика струму, і до останнього під'єднаний другий випрямляч з фільтром і навантаженням, вихід якого з'єднаний з першим входом підсилювача контролю навантаження, другий вхід останнього з виходом низькововольтного елемента опорної напруги, згідно з винаходом, вихід підсилювача контролю навантаження під'єднаний до додатково введеного елемента паралельного резистивного шунтування часозадавального резистора RC ланки генератора струмового контролера. Крім того, згідно з винаходом, підсилювач контролю навантаження містить масштабний підсилювач на операційному посилювачу, інверсний вхід якого через резистор з'єднаний з першим входом підсилювача, прямий вхід з другим входом підсилювача, вихід оперційного посилювача під'єднаний до елемента паралельного резистивного шунтування часозадавального резистора RC ланки генератора струмового контролера, а саме - до базового резистора р-n-р транзистора, перехід колектор-емітер якого через емітерний резистор під'єднаний паралельно часозадавальному резистору RC ланки генератора струмового контролера. Також підсилювач контролю навантаження, згідно з винаходом, містить масштабний підсилювач на операційному посилювачі, інверсний вхід якого через резистор з'єднаний з першим входом підсилювача, прямий вхід з другим входом підсилювача, вихід оперційного посилювача під'єднаний до елемента паралельного резистивного шунтування часозадавального резистора RC ланки генератора струмового контролера, а саме - до входу діодно-транзисторного оптрона, вихід якого через резистор під'єднаний паралельно часозадавальному резистору RC ланки генератора струмового контролера. Також підсилювач контролю навантаження, згідно з винаходом, містить компаратор з незначним гістерезисом, інверсний вхід якого з'єднаний з першим входом підсилювача, прямий вхід з другим входом підсилювача, вихід компаратора під'єднаний до елемента паралельного резистивного шунтування часозадавального резистора RC ланки генератора струмового контролера, а саме - до базового резистора р-n-р транзистора, перехід колектор-емітер якого через емітерний резистор під'єднаний паралельно часозадавальному резистору RC ланки генератора струмового контролера. А також підсилювач контролю навантаження, згідно з винаходом, містить компаратор з незначним гістерезисом, інверсний вхід якого з'єднаний з другим входом підсилювача, прямий вхід з першим входом підсилювача, вихід компаратора під'єднаний до елемента паралельного резистивного шунтування часозадавального резистора RC ланки генератора струмового контролера, а саме - до базового резистора n-р-n транзистора, перехід колектор-емітер якого через колекторний резистор під'єднаний паралельно часозадавальному резистору RC ланки генератора струмового контролера. Введення в схему перетворювача постійної напруги в постійну відповідного підсилювача або компаратора контролю навантаження в сукупності з додатково введеним елементом паралельного резистивного шунтування часозадавального резистора RC ланки генератора OSC струмового контролера, дозволило покращити стабільність, лінійність і надійність роботи генератора OSC згідно з частотною характеристикою відображеної [1 fig.5]. На Фіг. 1 і Фіг. 2 зображені схеми однотактного і двотактного перетворювачів відповідно. На Фіг. 3 зображена схема підсилювача контролю навантаження який містить масштабний підсилювач на операційному посилювачу, вихід якого під'єднаний до елемента паралельного резистивного шунтування часозадавального резистора RC ланки генератора струмового контролера, а саме - до входу діодно-транзисторного оптрона, вихід якого через резистор під'єднаний паралельно часозадавальному резистору RC ланки генератора струмового контролера. На Фіг. 4 зображена схема підсилювача контролю навантаження який містить компаратор, вихід якого під'єднаний до елемента паралельного резистивного шунтування часозадавального резистора RC ланки генератора струмового контролера, а саме - до базового резистора р-n-р транзистора, перехід колектор-емітер якого через емітерний резистор під'єднаний паралельно часозадавальному резистору RC ланки генератора струмового контролера. На Фіг. 5 зображена схема підсилювача контролю навантаження який містить компаратор, вихід якого під'єднаний до елемента паралельного резистивного шунтування часозадавального резистора RC ланки генератора струмового контролера, а саме - до базового резистора n-р-n 2 UA 115704 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 транзистора, перехід колектор-емітер якого через колекторний резистор під'єднаний паралельно часозадавальному резистору RC ланки генератора струмового контролера. Перетворювач постійної напруги в постійну містять струмовий контролер 1 в склад якого входить джерело опорної напруги Vref 2, OSC-генератор 3, підсилювач сигналу помилки по напрузі 4, вихід якого під'єднаний через вузол порівняння 5 до інверсного входу компаратора зворотного зв'язку по струму 6, вихід останнього під'єднаний до схеми широтно-імпульсного модулятора 7, вихід останнього через підсилювач контролера 8 з'єднаний з силовим ключем (ключами) 9 перетворювача, вхід OSC-генератора 3 під'єднаниий до часозадавальної RC ланки 10, а вхід підсилювача сигналу помилки по напрузі закорочений на загальну шину GND 11, вихід якого під'єднаний до оптронної схеми зворотного зв'язку по напрузі 12, прямий вхід компаратора зворотного зв'язку по струму 6 під'єднаний через випрямляч 13 до трансформаторного датчика струму 14, і до останнього під'єднаний другий випрямляч з фільтром і навантаженням 15, вихід якого з'єднаний з першим входом підсилювача контролю навантаження 16, другий вхід останнього з виходом низькововольтного елемента опірної напруги 17, а вихід підсилювача контролю навантаження 16 під'єднаний до додатково введеного елемента паралельного резистивного шунтування 18 часозадавального резистора RC ланки OSC-генератора струмового контролера 1. Силовий ключ (ключі) 9 відповідно з'єднані з первинною обмоткою однотактного, або двотактного трансформатора 19, вторинна сторона якого з відповідним випрямлячем з вихідним фільтром 20. Живлення струмового контролера забезпечується від схеми живлення 21. На Фіг. 2 представлена схема двотактного перетворювача постійної напруги в постійну, яка відрізняється від схеми відображеної на Фіг. 1 в застосуванні двотактного струмового контролера, відповідно двох силових ключів і відповідної схеми випрямляча з вихідним фільтром, що загально відомо. Робота перетворювача постійної напруги в постійну полягає в наступному. В номінальному режимі роботи, при номінальному струмі навантаження і при номінальній напрузі живлення, перетворювач забезпечує стабілізацію вихідної напруги за рахунок широтнно-імпульсного регулювання на фіксованій частоті перетворення. Проходить звичайний процес широтнно-імпульсного регулювання. За рахунок відповідно підібраних режимів випрямляча з фільтром і навантаженням 15, низьковольтного елемента опорної напруги 17, підсилювача контролю навантаження 16 і додатково введеного елемента паралельного резистивного шунтування 18, вихід останнього не впливає на роботу струмового контролера 1. Проходить звичайний процес широтнно-імпульсного регулювання на фіксованій частоті перетворення. При суттєвому зменшенню струму навантаження і збільшенню вхідної напруги перетворювача до максимального значення падає середнє значення напруги на виході трансформатора струму 14 і відповідно на виході випрямляча з фільтром і навантаженням 15, або на першому вході підсилювача контролю навантаження 16. Ця напруга порівнюється з напругою низьковольтного елемента опірної напруги 17. В результаті міняється вихідний сигнал підсилювача контролю навантаження 16 (плавно, або дискретно), що приведе до збільшення резистивного опору додатково введеного елемента паралельного резистивного шунтування 18 і відповідно до зменшення частоти перетворення перетворювача, а це в свою чергу приведе до плавного або різкого зменшення коефіцієнта заповнення γ, що дає змогу утримати режим стабілізації перетворювача у відповідності. Джерела інформації: 1. Bill Andreycak, The UCC38C42 Family of High-Speed, BiCMOS Current Mode PWM Controllers Texas Instruments literature number SLUA257. 2. Dinwoodie, Lisa, Unitrode Corporation, Design Note DN-89, Comparing the New UC3842, UCC3802 and UCC3809 Primary Side PWM Controllers, Texas Instruments literature number SLUA213. 3. Lisa Dinwoodie, UCC38C42 25-Watt Self-Resonant Reset Forward Converter, Texas Instruments literature number SLUS276, Figure 1, стр. 3. 4. BiCMOS Low-Power Current-Mode PWM Controller, Texas Instruments literature number SLUS458C, Figure 4, стр. 9. 5. Low-Power, Dual-Output, Current-Mode PWM Controller, Texas Instruments literature number SLUS272C, стр. 1, 9. 6. Andreycak, Bill and Glenn Fritz, Unitrode Corporation, Application Note U-100A, UC3842/3/4/5 Provides Low Cost Current Mode Control, Texas Instruments literature number SLUA143, Figure 11, стр. 5. 7. Патент UA 105095 C2 H02M 3/00, H02K 47/00. 3 UA 115704 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 30 35 1. Перетворювач постійної напруги в постійну, що містить струмовий контролер який містить генератор, підсилювач сигналу помилки по напрузі, вихід якого під'єднаний через вузол порівняння до інверсного входу компаратора зворотного зв'язку по струму, вихід компаратора зворотного зв'язку по струму під'єднаний до схеми широтно-імпульсного модулятора, вихід якого через підсилювач контролера з'єднаний з силовим ключем/ключами перетворювача, вхід генератора під'єднаниий до часозадавальної RC ланки, а вхід підсилювача сигналу помилки по напрузі закорочений на загальну шину GND, вихід якого під'єднаний до оптроної схеми зворотного зв'язку по напрузі, прямий вхід компаратора зворотного зв'язку по струму під'єднаний через випрямляч до трансформаторного датчика струму, а до трансформаторного датчика струму під'єднаний другий випрямляч з фільтром і навантаженням, вихід якого з'єднаний з першим входом підсилювача контролю навантаження, другий вхід якого з'єднаний з виходом низьковольтного елемента опорної напруги, який відрізняється тим, що вихід підсилювача контролю навантаження під'єднаний до додатково введеного елемента паралельного резистивного шунтування часозадавального резистора RC ланки генератора струмового контролера, при цьому підсилювач контролю навантаження містить масштабний підсилювач на операційному підсилювачі, вихід якого через базовий резистор під'єднаний до бази p-n-p транзистора, перехід емітер-колектор якого через часозадавальний резистор паралельно під'єднаний до основного резистора часозадавальної RC ланки струмового контролера. 2. Перетворювач за п. 1, який відрізняється тим, що підсилювач контролю навантаження містить масштабний підсилювач на операційному підсилювачі, вихід якого через резистор під'єднаний до входу діодно-транзисторного оптрону, вихід якого через часозадавальний резистор паралельно під'єднаний до основного резистора часозадавальної RC ланки струмового контролера. 3. Перетворювач за п. 1, який відрізняється тим, що підсилювач контролю навантаження містить компаратор з незначним гістерезисом, вихід компаратора через базовий резистор під'єднаний до бази p-n-p транзистора, перехід емітер-колектор якого через часозадавальний резистор паралельно під'єднаний до основного резистора часозадавальної RC ланки струмового контролера. 4. Перетворювач за п. 1, який відрізняється тим, що підсилювач контролю навантаження містить компаратор з незначним гістерезисом, вихід компаратора через базовий резистор під'єднаний до бази n-р-n транзистора, перехід емітер-колектор якого через часозадавальний резистор паралельно під'єднаний до основного резистора часозадавальної RC ланки струмового контролера. 4 UA 115704 C2 5 UA 115704 C2 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6