ВТОРИЧНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ

Изобретение относится к области преобразования электрической энергии.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является вторичный источник питания (см. Патент RU 2301438, кл. G05F 1/56, 1/571 от 20.06.07, опубликован в БИ "Изобретения" №17 за 2007 г.), содержащий последовательно соединенные устройство сравнения, генератор прямоугольных импульсов, коммутирующий элемент, первый выход которого соединен через последовательно соединенные первичные обмотки первого и второго трансформаторов с первым выводом источника питания, второй вывод которого соединен со вторым выходом коммутирующего элемента, источник опорного напряжения, первая вторичная обмотка первого трансформатора подключена к нагрузке, первый конец второй вторичной обмотки первого трансформатора соединен с первым выводом конденсатора, второй вывод которого через последовательно соединенные стабилитрон и диод подключен ко второму концу второй вторичной обмотки первого трансформатора, выход источника опорного напряжения соединен с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом второго резистора и первым концом вторичной обмотки второго трансформатора, второй конец которого соединен со вторым выводом второго резистора и входом устройства сравнения, первые или вторые выводы первого резистора и конденсатора соединены между собой.

Описанное выше устройство взято в качестве прототипа к заявленному устройству.

Недостатком прототипа является использование в качестве устройства сравнения и источника опорного напряжения биполярного транзистора, у которого напряжение база - эмитерного p-n-перехода выполняло роль порогового напряжения, что затрудняет выполнение активных элементов вторичного источника питания в виде интегральной микросхемы по КМОП-технологии, и вызывает температурную зависимость опорного напряжения, кроме этого усложнена регулировка выходного напряжения.

Решаемая задача - создание вторичного источника питания с использованием элементов, изготавливаемых по единой КМОП - технологии и уменьшение температурных изменений выходного напряжения, упрощение регулировки выходного напряжения.

Техническим результатом является повышение надежности вторичного источника питания за счет выполнения его активных элементов в виде интегральной микросхемы и повышение температурной стабильности выходного напряжения.

Для достижения технического результата во вторичном источнике питания, содержащем последовательно соединенные устройство сравнения, генератор прямоугольных импульсов, коммутирующий элемент, первый выход которого соединен через последовательно соединенные первичные обмотки первого и второго трансформаторов с первым выводом источника питания, второй вывод которого соединен со вторым выходом коммутирующего элемента, источник опорного напряжения, первая вторичная обмотка первого трансформатора подключена к нагрузке, первый конец второй вторичной обмотки первого трансформатора соединен с первым выводом конденсатора, второй вывод которого через последовательно соединенные стабилитрон и диод подключен ко второму концу второй вторичной обмотки первого трансформатора, выход источника опорного напряжения соединен с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом второго резистора и первым концом вторичной обмотки второго трансформатора, второй конец которого соединен со вторым выводом второго резистора и входом устройства сравнения, первые или вторые выводы первого резистора и конденсатора соединены между собой, новым является то, что устройство сравнения выполнено в виде n последовательно соединенных комплементарных пар, с четным или нечетным значением n, каждая из которых содержит "n" и "p" канальные МОП-транзисторы, с объединенными между собой затворами, являющимися входами, и объединенными стоками, являющимися выходами, а их истоки подключены к источнику питания, при этом выход последней из n комплементарных пар МОП-транзисторов соединен с входом генератора прямоугольных импульсов, а вход первой комплементарной пары МОП-транзисторов является входом устройства сравнения, источник опорного напряжения выполнен в виде дополнительной комплементарной пары МОП-транзисторов, объединенные затворы которых через третий резистор соединены с источником питания, а через, по крайней мере, один диод с объединенными стоками дополнительной комплементарной пары, являющимися выходом источника опорного напряжения; при этом первые или вторые выводы первого резистора и конденсатора соединены между собой непосредственно или через четвертый резистор, а третий резистор выполнен термозависимым.

Схема заявляемого вторичного источника питания представлена на фигуре. Устройство содержит генератор прямоугольных импульсов 1, выход которого подключен к входу коммутирующего элемента 2, первый выход которого подключен к первому концу первичной обмотки силового трансформатора 3. Ко второму концу первичной обмотки силового трансформатора 3 подключена первым концом первичная обмотка трансформатора тока 4, второй конец его первичной обмотки через диод 31 подключен к первому выводу первичного источника питания 5, а его второй вывод присоединен ко второму выходу коммутирующего элемента 2. Одна из вторичных обмоток силового трансформатора 3 своими выводами через диод 6 подключена к нагрузке 7 - параллельно соединенные резистор и конденсатор; другая вторичная обмотка (обмотка обратной связи) через последовательно соединенные диод 8 и стабилитрон 9 нагружена на конденсатор 11 и последовательно соединенные резисторы 10 и 40. Вторичная обмотка трансформатора тока нагружена на резистор 12. Последовательно включенные резистор 12 и резистор 10 соединяют вход устройства сравнения 13 (т. 35) и выход источника опорного напряжения 14 (т. 36), выход устройства сравнения (т. 37) подключен к входу генератора 1. Управление генератором 1 согласно варианту чертежа осуществляется перепадом напряжения на его входе управления (т. 37) с низкого уровня на высокий. В случае использования генератора, у которого управление происходит перепадом входного напряжения с высокого уровня на низкий, необходимо использовать нечетное число n последовательно включенных инверторов в устройстве сравнения 13. Напряжение питания на генератор 1 и устройство сравнения 13 подается с выходов первичного источника питания 5 через диод 31 и резистор 33 (т. 29).

Генератор 1 выполнен на двух инверторах 15, 16 (элементах "не") микросхемы типа 564ЛН2; резисторы 17, 18 и конденсатор 19 являются времязадающими элементами (задают длительности "высокого" и "низкого" уровня сигнала на выходе генератора 1), третий инвертор 20 выполняет функции буферного элемента. Коммутирующий элемент 2 вторичного источника питания варианта согласно чертежу выполнен на микросхеме типа 564ЛА10, содержащей два логических элемента "2И-НЕ" 21, 22 на выходе каждого из них имеется КМОП-транзистор с открытым стоком с максимальным током до 100 мА и максимальной мощностью рассеивания до 100 мВт (сопротивление в открытом состоянии ≈ 1 Ом); для уменьшения сопротивления коммутирующего элемента в открытом состоянии используется параллельное включение обоих элементов 21, 22 микросхемы. Устройство сравнения 13 выполнено на инверторах 23, 24, его выход т. 35, источник опорного напряжения - на инверторе 25, его выход т.36; двух диодах 26, 27 и резисторе 28; выходом устройства сравнения является выход инвертора 24 (т.37). Выводы питания микросхем генератора 1 и коммутирующего элемента 2 подключены к точкам 29, 30 (29 - плюс питания, 30 - минус питания).

В варианте, приведенном на чертеже, диод 31 используется в качестве развязки для предотвращения возврата энергии в первичный источник питания 5, накопленной индуктивностью первичной обмотки трансформатора 3, через его внутренний диод. Диод 32, резистор 33, конденсатор 34 выполняют роль демпфера, уменьшая амплитуду выброса импульса на выходе коммутирующего элемента 2, обусловленного энергией, накапливаемой в индуктивности рассеяния первичной обмотки силового трансформатора 3. Каждый инвертор 23, 24, 25 выполнен в виде двух последовательно соединенных МОП-транзисторов «p» и «n» канального типа (комплементарной пары), входящих в состав микросхемы 564 ЛН2, которые используются в генераторе импульсов 1. Вторичный источник питания работает следующим образом. В исходном положении, при отключенном первичном источнике питания 5, в последовательной электрической цепи: первичной обмотке трансформатора тока 4, первичной обмотке силового трансформатора 3 и в коммутирующем элементе 2 электрический ток равен нулю; конденсаторы 11, 19, 34 разряжены; генератор 1 не работает (на его выходе отсутствуют электрические сигналы). При подключении первичного источника питания 5 его напряжение через диод 31 и резистор 33 прикладывается к конденсатору 34 и выводам "плюс" питания микросхемы генератора 1, устройства сравнения 13, источника опорного напряжения 14 и ключевого элемента 2 и через диод 31 и последовательно соединенные первичные обмотки трансформаторов 4, 3 к первому выводу ключевого элемента 2 (т.38), параллельно-соединенные стоки n-канальных МОП-транзисторов элементов 21, 22; второй вывод ключевого элемента (истоки МОП-транзисторов) соединен через "минусовой" вывод питания элементов 21, 22 с "минусовым" выводом источника 5 (точка 30). После достижения напряжения на конденсаторе 34 значения, обеспечивающего работоспособность инверторов 15, 16, 20, 21, 22, начинает работать генератор 1, выдавая на вход коммутирующего элемента 2 последовательность импульсов, приводящих к периодическому чередованию двух его состояний: открытого и закрытого. Таким образом, сигнал на выходе генератора 1 имеет две фазы, определяющие два состояния коммутирующего элемента. В фазе открытого состояния коммутирующего элемента 2, длительностью T_п, к первичной обмотке силового трансформатора 3 через первичную обмотку трансформатора тока 4 и коммутирующий элемент 2 приложено выходное напряжение U₁ первичного источника питания 5. Это приводит к появлению тока в последовательной цепи: первичная обмотка трансформатора тока 4, первичная обмотка силового трансформатора 3, коммутирующий элемент, первичный источник питания. Ток в первичной обмотке силового трансформатора 3 с момента перехода коммутирующего элемента 2 в открытое состояние нарастает практически по линейному закону, достигая к концу фазы открытого состояния максимального значения I_max, определяемого выражением:

где U₁ - значение напряжения первичного источника питания;

L₁ - индуктивность первичной обмотки силового трансформатора;

T_п - длительность фазы открытого состояния коммутирующего элемента ("прямой ход").

Выражение (1) справедливо при достаточно малых значениях активного сопротивления первичной обмотки силового трансформатора и коммутирующего элемента по сравнению со значением величин, определяемым отношением индуктивности L₁ к длительности T_п фазы открытого состояния коммутирующего элемента (одно из основных требований при корректном проектировании подобных источников вторичного питания). Энергия, накопленная в индуктивности первичной обмотки силового трансформатора, пропорциональна квадрату значения тока и определяется известным выражением:

Индуктивность первичной обмотки трансформатора тока должна быть много меньше индуктивности первичной обмотки силового трансформатора, при этом можно пренебречь ее влиянием на процесс накопления энергии в силовом трансформаторе. После импульсного перевода коммутирующего элемента в закрытое состояние в течение Т_о (обратный ход), прерывается цепь прохождения тока в первичной обмотке силового трансформатора 3, накопленная в ней энергия передается через вторичную обмотку и диод 6 в нагрузку 7 - и частично через обмотку обратной связи в элементы: диод 8, стабилитрон 9, резисторы 10, 40 и конденсатор 11. В отсутствие сигналов управления на входе генератора 1, энергия, накапливаемая в первичной обмотке силового трансформатора, должна быть больше номинальной. Процесс накопления и передачи энергии в нагрузку описан в литературе по импульсным источникам питания, например [1] Б.Ю.Семенов. Силовая электроника СОЛОН-Р. Москва, 2001 г. стр.216-227. Связь между параметрами нагрузки и вторичного источника питания определяется выражением:

где U_н - напряжение на нагрузке;

R_н - значение сопротивления нагрузки;

коэффициент заполнения;

U₁ - значение напряжения первичного источника питания;

f - частота преобразования;

T_о - длительность фазы "обратного хода";

k - коэффициент трансформации (отношение числа витков вторичной обмотки силового трансформатора 3 к числу витков его первичной обмотки).

Процесс передачи накопленной энергии индуктивностью первичной обмотки силового трансформатора 3 в фазе T_п в нагрузку 7 проходит с участием заряда конденсатора нагрузки 7 в фазе Т_о и его разряда в течение всего периода T=T_п+T_о следования сигналов на входе коммутирующего элемента 2. Этот процесс может быть описан следующими уравнениями:

где I_1max - значение тока в первичной обмотке к моменту окончания фазы проводящего состояния коммутирующего элемента 2;

С - значение емкости конденсатора фильтра нагрузки 7;

U_i-1, U_i - значение напряжения на конденсаторе нагрузки в моменты времени, соответствующие (i-1)T и iT

Δq_зар, Δq_разр - изменения заряда конденсатора нагрузки 7, обусловленные передачей энергии от первичной обмотки и током разряда на сопротивлении нагрузки 7 соответственно;

- среднее значение напряжения на нагрузке 7.

В переходном режиме работы вторичного источника питания происходит постепенный рост напряжения на конденсаторе нагрузки 7 за счет порций энергий, передаваемых с каждым периодом выходных сигналов генератора 1 из первичной обмотки трансформатора 3. Из анализа выражений (4), (5), (6) следует:

- при постоянстве энергии W накапливаемой в первичной обмотке, приращение заряда Δq_зар и, соответственно, напряжения конденсатора нагрузки уменьшается по мере роста среднего значения напряжения на нем;

- разряд конденсатора нагрузки Δq_разр за счет тока, отдаваемого в сопротивление нагрузки за период T растет по мере роста среднего напряжения на конденсаторе нагрузки.

В переходном режиме Δq_зар>Δq_разр.

Установившийся режим характеризуется прекращением роста среднего значения напряжения на конденсаторе нагрузки 7. При этом наступает равенство изменений зарядов:

Δq_зар=Δq_разр или

При замене в выражении (4) сомножителя С(U_i-U_i-1) на правую часть равенства (7) получим:

Равенство (8) также вытекает из принципа сохранения энергии.

В установившемся режиме значение среднего напряжения на нагрузке U_cp может быть определено из формулы (8) с учетом формулы (1):

Из выражения (9) видно, что среднее напряжение на нагрузке определяется значениями: напряжения первичного источника питания U₁, длительности фазы открытого состояния коммутирующего элемента Т_п, сопротивления нагрузки R_н, индуктивности первичной обмотки силового трансформатора L₁ и периода следования сигналов T на управляющем входе коммутирующего элемента. При постоянстве значений T_п и T (отсутствуют сигналы управления на входе генератора 1), напряжение на нагрузке будет изменяться при изменении напряжения первичного источника питания и сопротивления нагрузки. Стабилизация напряжения на нагрузке осуществляется изменением длительности T_п - широтно импульсная модуляция (ШИМ), посредством подачи на управляющий вход генератора 1 импульсных сигналов с выхода устройства сравнения 13. По фронту импульсных сигналов на входе генератора 1 (т. 37) прерывается формирование фазы сигнала, определяющего открытое состояние коммутирующего элемента, устанавливается уровень сигнала, соответствующий закрытому состоянию коммутирующего элемента (фаза Т_о). Длительность фазы Т_о определяется времязадающими элементами генератора 1 с учетом Т_п. После окончания фазы Т_о начинается новый цикл формирования сигнала фазы Т_п, накопления энергии в индуктивности первичной обмотки трансформатора и передачи ее в нагрузку. Импульсный сигнал на выходе устройства сравнения 13 формируется в момент, когда на его входе (входе инвертора 23) переменное напряжение достигает значения порога переключения n-канального транзистора комплементарной пары (инвертора 23).

При значении сопротивления подстроечного резистора 40 равным нулю напряжение на входе инвертора 23 (точка 35) U_вх23 определяется суммой напряжений:

где

- коэффициент трансформации трансформатора тока 4 (n4.2, n4.1 - число витков вторичной и первичной обмотки трансформатора 4 соответственно);

R₁₃ - значение сопротивления резистора 13, нагрузки трансформатора 4;

U_ОС - амплитуда напряжения на второй вторичной обмотке первого трансформатора 3, в фазе "обратного хода" T_о;

U_д - прямое падение напряжения на диоде 9;

U_СТ - напряжение стабилизации стабилитрона 10;

U_вых25 - напряжение на выходе инвертора 25 (источника опорного напряжения);

i₁(t) - временная зависимость тока в первичных обмотках трансформаторов 3, 4;

n_3.ОС, n_3.1 - число витков обмотки обратной связи (второй вторичной) и первой вторичной обмотки трансформатора 3 соответственно;

U₂ - амплитуда напряжения на первой вторичной обмотке трансформатора 3 в фазе "обратного хода" T_о.

Напряжение на входе инвертора 25, подключенного через резистор 28 к "плюсу" источника питания, за счет обратной связи с выходом инвертора 25 через диоды 26, 27 устанавливается близким к значению порога переключения инвертора 25 (U_пор25), а напряжение на его выходе будет меньше на величину n·U_д (n - число диодов последовательно включенных в цепи обратной связи "вход-выход" инвертора 25). В устройстве согласно фигуре использованы два диода - 26, 27 и в этом случае:

В начальный момент времени: (t=0), i₁=0, U_ОС=0, значение напряжения на входе устройства сравнения 13 (вход инвертора 23) будет равно:

При значении U_вх23, соответствующем выражению (14), напряжение на выходе инвертора 23 будет близко к U_СС (уровень "1"), а на выходе инвертора 24 равно 0 (уровень "0"), при этом устройство сравнения не влияет на длительность фазы прямого хода. Переключение инвертора 23 из состояния "1" в состояние "0" и соответственно появление сигнала на выходе устройства сравнения 13 (выход инвертора 24) произойдет при

где

U_CC - напряжение питания микросхемы (инверторов 15, 16, 20, 23, 24, 25 - точка 29);

K₂₃, K₂₄ - коэффициенты усиления инверторов 23, 24 в линейном режиме соответственно (для 564ЛН2 K₂₃₍₂₄₎=40...60).

С учетом соотношений (10), (11), (12), (13), (14), (15), а также примерного равенства значений напряжений переключения инверторов в одном кристалле микросхемы (564ЛН2) условием формирования выходного сигнала устройства сравнения будет:

или с учетом того, что ΔU_˜<<2U_D

В зависимости от выбранных параметров вторичного источника питания:

- диапазона значений выходных напряжений первичного источника питания 5;

- индуктивности первичной обмотки силового трансформатора 3 (L₁);

- периода повторения сигналов на входе коммутирующего элемента 2 и длительности фазы Т_о;

- коэффициента трансформации трансформатора тока 4 и значения сопротивления 12 нагрузки его вторичной обмотки;

- отношения числа витков вторичных обмоток силового трансформатора 3 (n_3.ОС, n_3.1);

- значения порогового напряжения устройства сравнения 13,

возможна реализация трех характерных режимов работы.

При и (T_п - длительность фазы открытого состояния коммутирующего элемента 2 при отсутствии сигнала управления на входе генератора 1) на выходе устройства сравнения 13 отсутствуют сигналы управления; установившееся напряжение на нагрузке определяется выражением (3).

При и сигнал на выходе устройства сравнения 13 и соответственно на входе генератора 1 появляется через время Т_п от момента начала перехода коммутирующего элемента 2 в открытое состояние.

В этом режиме при всех значениях напряжения первичного источника питания U₁ амплитуда тока в первичной обмотке силового трансформатора ограничивается на уровне , что обеспечивает постоянство передаваемой энергии в нагрузку и ограничивает ток коммутирующего элемента на безопасном уровне (определяется формулой (1)). Однако для этого случая стабильность напряжения на нагрузке будет невысокая, так-так при постоянстве передаваемых порций энергии в нагрузку период их следования может изменяться в зависимости от значений Т_п. Более высокая степень стабилизации вторичного напряжения (на нагрузке) достигается для режима при котором:

для всего рабочего диапазона значений напряжений первичного источника питания. Формирование выходного сигнала устройства сравнения 13 происходит в тот момент, когда выполняется равенство:

Отсюда значение напряжения U₂ на нагрузке 7 равно:

Для случаев, когда U_СТ>>2U_D с учетом того, что выражение (21) можно в первом приближении представить в виде:

Обеспечение требуемого значения выходного напряжения вторичного источника питания достигается выбором стабилитрона 9 и отношением числа витков вторичной обмотки обратной связи n_3.ОС к числу витков выходной обмотки n_3.1 силового трансформатора, удовлетворяющих условию (22). Из выражения (21) видно, что выходное напряжение вторичного источника питания зависит от стабильности напряжения стабилизации стабилитрона U_СТ напряжения на диодах 26, 27 - 2U_D при протекании тока, задаваемого резистором 28, в нормальных условиях и при изменении температуры окружающей среды. Уменьшение температурной зависимости выходного напряжения U₂, обусловленного температурной зависимостью напряжения 2U_D, достигается использованием в качестве токозадающего резистора 28 терморезистора типа ТР1.

В случаях, когда значение резистора 40 не равно нулю (R₄₀>0), выражение (21) принимает вид:

В устройстве согласно чертежу генератор выполнен по схеме мультивибратора на двух инверторах 15, 16 микросхемы 564ЛН2 (561ЛН2), третий инвертор 20 выполняет роль буферного элемента; остальные три инвертора из шести имеющихся в микросхеме использованы в устройстве сравнения 13 и в источнике опорного напряжения 14. Времязадающими элементами являются резистор 17 и конденсатор 19. В качестве коммутирующего элемента используется микросхема 564ЛА10. Трансформатор 3 выполнен на ферритовом сердечнике М2000-НМ1 К7×4×2 с воздушным зазором 0,3 мм; трансформатор тока 4 выполнен на ферритовом сердечнике М2000-НМ1 К5×3×1.5; стабилитрон 9 - типа 2С156А; диоды 8, 26, 27 - 2Д522Б.

Конденсатор 39, подключенный к выходу источника опорного напряжения 14, повышает помехоустойчивость ШИМ регулятора.

По схеме, согласно чертежу, изготовлены и испытаны экспериментальные образцы вторичного источника питания с выходным напряжением 5,2...6,0 В (разброс определяется разбросом U_СТ), диапазон изменения напряжений первичного источника питания 4,5...7,2 В, при этом нестабильность напряжения на нагрузке не более 1%. Температурная нестабильность выходного напряжения не более 1·10^-3.