RU2076443C1

RU2076443C1 - Single-cycle stabilizing direct voltage converter

Info

Publication number: RU2076443C1
Authority: RU
Inventors: С.Б. Дьяков; Н.Д. Одров; В.Ф. Чучко
Original assignee: Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики
Priority date: 1991-02-12
Filing date: 1991-02-12
Publication date: 1997-03-27

Abstract

FIELD: secondary power supply units for radio engineering equipment, efficient high-voltage power supply for mobile devices. SUBSTANCE: device has direct voltage power supply 1, inductance accumulator 2, gate 3, rectifier 4, controlled modulator 5, threshold unit 6, reference voltage source 7, two resistors 8 and 10, capacitor 11 and diode 12. Device provides pulse operating mode for reference voltage source 7 for low average current. EFFECT: increased reliability, decreased cost. 2 dwg

Description

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к источникам вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры, и может найти применение в качестве экономичного источника высокого напряжения, особенно в переносной аппаратуре. The invention relates to a conversion technique, in particular to sources of secondary power supply of electronic equipment, and can find application as an economical source of high voltage, especially in portable equipment.

Известны стабилизирующие однотактные преобразователи постоянного напряжения, основой которых являются индуктивный накопитель, электронный ключ, цепь обратной связи, схема импульсного управления электронным ключом (модулятор) и выпрямитель (обычно диодный). Known stabilizing single-cycle DC-DC converters, the basis of which are an inductive storage, electronic key, feedback circuit, a pulse control circuit of an electronic key (modulator) and a rectifier (usually a diode).

Известен однотактный стабилизирующий преобразователь постоянного напряжения, выполненный по схеме автогенератора с "обратным включением диода", содержащий ключевой транзистор, управляющий вывод которого подключен через ограничительный резистор к обмотке обратной связи и к выходу порогового узла, состоящего из двух транзисторов разного типа проводимости и четырех резисторов, причем эмиттер первого транзистора соединен с входным выводом преобразователя, а коллектор через первый резистор с базой второго транзистора, эмиттер которого соединен с общим выводом преобразователя, причем между эмиттером первого и коллектором второго транзисторов включен второй резистор, коллектор второго транзистора образует выход порогового узла, а база первого его вход, к которому подключен один из выводов третьего резистора. Known single-phase stabilizing DC-DC converter, made according to the scheme of the oscillator with "reverse diode", containing a key transistor, the control output of which is connected through a limiting resistor to the feedback winding and to the output of the threshold node, consisting of two transistors of different conductivity types and four resistors, moreover, the emitter of the first transistor is connected to the input terminal of the converter, and the collector through the first resistor with the base of the second transistor, the emitter of which connected to the common terminal of the converter, and a second resistor is connected between the emitter of the first and the collector of the second transistor, the collector of the second transistor forms the output of the threshold node, and the base of its first input, to which one of the terminals of the third resistor is connected.

В этом преобразователе, с целью повышения КПД за счет исключения тока потребления в отключенном состоянии автогенератора, введен регулируемый источник опорного тока, включенный на входе порогового узла, который образует триггер Шмитта путем включения четвертого резистора между коллектором второго и базой первого транзисторов, причем второй вывод третьего резистора подключен к выходному выводу. In this converter, in order to increase the efficiency by eliminating the consumption current in the off state of the oscillator, an adjustable reference current source is introduced, which is included at the input of the threshold node, which forms a Schmitt trigger by turning on the fourth resistor between the collector of the second and the base of the first transistors, and the second output of the third a resistor is connected to the output terminal.

Недостатком данного преобразователя является снижение КПД, надежности и повышение стоимости при питании высоковольтных высокоомных цепей. Это обусловлено тем, что выход преобразователя связан по постоянному току через резистор обратной связи с источником опорного регулируемого тока и цепями транзисторов триггера Шмитта. Ток обратной связи протекает постоянно и должен быть не менее некоторого минимального значения, достаточного для обеспечения работоспособности преобразователя. При высокоомных нагрузках и повышенных напряжениях мощность, теряемая в цепи обратной связи, составляет значительную долю полезной мощности, т. е. КПД преобразователя существенно снижается. При уменьшении тока обратной связи возрастают тpебования к схемным элементам преобразователя, затраты на его изготовление и настройку, снижается надежность функционирования. The disadvantage of this converter is a decrease in efficiency, reliability and cost increase when powering high-voltage high-resistance circuits. This is due to the fact that the output of the converter is connected via direct current through a feedback resistor to a source of controlled adjustable current and Schmitt trigger transistor circuits. Feedback current flows continuously and must be at least some minimum value sufficient to ensure the operability of the converter. With high-resistance loads and high voltages, the power lost in the feedback circuit is a significant fraction of the useful power, i.e., the efficiency of the converter is significantly reduced. With a decrease in the feedback current, the requirements for the converter circuit elements increase, the cost of its manufacture and tuning, and the reliability of operation decreases.

Цель изобретения повышение надежности и снижение стоимости преобразователя путем обеспечения номинального режима работы и взаимозаменяемости электрорадиоэлементов без дополнительной отбраковки. The purpose of the invention is to increase reliability and reduce the cost of the converter by providing a nominal operating mode and interchangeability of radio electronic elements without additional rejection.

Цель достигается тем, что в однотактный стабилизирующий преобразователь постоянного напряжения, содержащий входные выводы, один из которых подключен к первому выводу индуктивного накопителя, другой вывод которого соединен с входом выпрямителя, второй вывод выпрямителя соединен с одним из выходных выводов, второй выходной вывод соединен с одним силовым выводом электронного ключа и другим входным выводом, источник опорного напряжения, первый вывод которого соединен через первый резистор с вторым входным выводом, пороговый узел, вход которого соединен с точкой соединения первого вывода источника опорного напряжения и первого резистора, а выход подключен к входу управляемого модулятора, выход которого соединен с управляющим входом электронного ключа, введены диод, а также соединенные параллельно второй резистор и конденсатор, подключенные одними выводами к второму входному выводу, а другими выводами подключены к входу порогового узла и через диод к точке соединения первого вывода источника опорного напряжения с первым выводом первого резистора, второй вывод источника опорного напряжения подключен к точке соединения другого силового вывода электронного ключа и промежуточного вывода индуктивного накопителя, выполненного в виде автотрансформатора. The goal is achieved by the fact that into a single-cycle stabilizing DC-DC converter containing input terminals, one of which is connected to the first terminal of the inductive storage, the other terminal of which is connected to the input of the rectifier, the second terminal of the rectifier is connected to one of the output terminals, the second output terminal is connected to one a power output of the electronic key and another input terminal, a reference voltage source, the first terminal of which is connected through the first resistor to the second input terminal, a threshold node, input to The other is connected to the connection point of the first output of the reference voltage source and the first resistor, and the output is connected to the input of a controlled modulator, the output of which is connected to the control input of the electronic key, a diode is introduced, as well as a second resistor and capacitor connected in parallel, connected by one of the outputs to the second input output and other leads are connected to the input of the threshold node and through the diode to the connection point of the first output of the reference voltage source with the first output of the first resistor, the second output is the source a reference voltage connected to a connection point of another power electronic key derivation and output of the intermediate inductive storage, constructed in the form of an autotransformer.

На фиг. 1 схематически изображен один из возможных вариантов исполнения преобразователя. In FIG. 1 schematically shows one of the possible versions of the Converter.

На фиг. 1 и 2 приняты следующие обозначения:
1 входные выводы;
2 индуктивный накопитель;
3 электронный ключ;
4 выпрямитель;
5 управляющий модулятор;
6 пороговый узел;
7 источник опорного напряжения;
8 первый резистор;
9 выходные выводы;
10 второй резистор;
11 конденсатор;
12 диод;
13 задающий генератор;
14 логическая схема 2 ИЛИ НЕ.In FIG. 1 and 2, the following notation is accepted:
1 input pins;
2 inductive storage;
3 electronic key;
4 rectifier;
5 control modulator;
6 threshold node;
7 reference voltage source;
8 first resistor;
9 output conclusions;
10 second resistor;
11 capacitor;
12 diode;
13 master oscillator;
14 logical circuit 2 OR NOT.

Преобразователь работает следующим образом. The converter operates as follows.

В момент подачи напряжения на входные выводы от источника питания все напряжения и токи в схемах фиг. 1 и 2 нулевые. При уровне напряжения на конденсаторе 11 ниже порога переключения порогового узла с выхода последнего поступает сигнал, разрешающий прохождение импульсов с модулятора 5 на управление ключом 3. При этом первый управляющий импульс обеспечивает открытое состояние ключа 3 в течение времени, определяемого генератором 13 модулятора 5. В течение этого времени через часть обмотки индуктивного накопителя 2, подключенную к выходным выводам 1, начинает протекать линейно-нарастающий ток
I=U_ot/L,
где U_o напряжение источника питания;
L индуктивность обмотки;
t время.At the time of supplying voltage to the input terminals from the power source, all the voltages and currents in the circuits of FIG. 1 and 2 are zero. When the voltage level on the capacitor 11 is lower than the threshold threshold for switching the threshold node, the signal from the last one is output, allowing pulses to pass from the modulator 5 to control the key 3. In this case, the first control pulse provides the open state of the key 3 for the time determined by the generator 13 of the modulator 5. During of this time, a linearly increasing current begins to flow through a part of the winding of the inductive storage 2 connected to the output terminals 1
I = U _o t / L,
where U _{o the} voltage of the power source;
L winding inductance;
t time.

В момент T_и (окончания импульса модулятора) ключ 3 закрывается и ток индуктивного накопителя 2 начинает протекать через выпрямитель 4 на выход 9. Если за первый импульс напряжение на первом выводе ключа 3 не достигнет уровня стабилизации источника опорного напряжения (например, при емкостном характере нагрузки), потенциал на входе порогового узла 6 оказывается меньше его порога сбрасывания и модулятор 5 через некоторое время паузы вырабатывает следующий импульс и далее процесс повторяется до момента, когда выходное напряжение ключа 3 превысит уровень пробоя источника опорного напряжения и через последний начинает протекать ток, заряжающий через диод 12 конденсатор 11. После того как напряжение на конденсаторе 11 превысит порог переключения порогового узла 6 последний вырабатывает потенциал, прекращающий подачу открывающих импульсов с модулятора 5 на вход ключа 3. Ключ 3 остается в закрытом состоянии на время разряда конденсатора 11 через резистор 10. После того как напряжение на конденсаторе 11 понизится до уровня переключения порогового узла 6, последний разрешает прохождение сигналов с модулятора 5 на ключ 3 и процессы далее протекают аналогично. Постоянная времени разряда конденсатора 11 выбирается меньше постоянной времени в цепи нагрузки. Поэтому колебания (пульсации) выходного напряжения могут быть обеспечены достаточно малыми. При этом средний уровень выходного напряжения будет определяться величиной
U_вых=(U_оп+U_р) K₁ K₂,
где U_оп уровень опорного напряжения;
U_р порог срабатывания порогового узла (обычно U_р<U_оп);
K₁ коэффициент передачи индуктивного накопителя;
K₂ коэффициент передачи выпрямителя.At time T _and (at the end of the modulator pulse), switch 3 closes and the current of inductive storage 2 starts flowing through rectifier 4 to output 9. If during the first pulse the voltage at the first output of switch 3 does not reach the level of stabilization of the reference voltage source (for example, with a capacitive load ), the potential at the input of the threshold node 6 is less than its reset threshold and the modulator 5 after a pause produces the next pulse and then the process is repeated until the output voltage of the switch 3 exceeds um, the breakdown level of the reference voltage source and the current begins to flow, charging the capacitor 11 through the diode 12. After the voltage on the capacitor 11 exceeds the switching threshold of the threshold node 6, the latter generates a potential that stops the supply of opening pulses from the modulator 5 to the input of the key 3. Key 3 remains closed for the duration of the discharge of the capacitor 11 through the resistor 10. After the voltage across the capacitor 11 drops to the switching level of the threshold node 6, the latter allows passage with latter is present from the modulator 5 with a key 3, and further processes proceed similarly. The discharge time constant of the capacitor 11 is selected less than the time constant in the load circuit. Therefore, fluctuations (ripple) of the output voltage can be provided sufficiently small. In this case, the average output voltage level will be determined by
U _o = (U _op + U _p ) K ₁ K ₂ ,
where U _{op the} level of the reference voltage;
U _{p the} threshold threshold node (usually U _p <U _op );
K ₁ gear ratio of inductive storage;
K ₂ gear ratio of the rectifier.

Поскольку величину U_оп, K₁, K₂ стабильны, а U_р<U_оп выходное напряжение преобразователя поддерживается с достаточной стабильностью. Ток через источник опорного напряжения близок к области номинальных значений и протекает только в течение коротких интервалов времени, поэтому заявляемое решение обладает более высокой надежностью по сравнению с прототипом и не требует отбора электрорадиоэлементов, что снижает стоимость его изготовления.Since the value of U _op , K ₁ , K ₂ stable, and U _p <U _{op the} output voltage of the Converter is supported with sufficient stability. The current through the reference voltage source is close to the range of nominal values and flows only for short time intervals, therefore, the claimed solution has higher reliability compared to the prototype and does not require the selection of electro-radio elements, which reduces the cost of its manufacture.

Claims

A single-phase stabilizing DC-DC converter containing input terminals, one of which is connected to the first terminal of the inductive storage, the other terminal of which is connected to the input of the rectifier, the second terminal of the rectifier is connected to one of the output terminals, the second output terminal with one power output of the electronic key and the other input output, the reference voltage source, the first output of which is connected through the first resistor to the second input terminal, a threshold node, the input of which is connected to the connection point the first output of the reference voltage source and the first resistor, and the output is connected to the input of a controlled modulator, the output of which is connected to the control input of the electronic key, characterized in that, in order to increase reliability and reduce the cost of the converter, a diode is introduced, as well as a second resistor connected in parallel and a capacitor connected by one terminal to the second input terminal, and other terminals to the input of the threshold node and through the diode to the connection point of the first terminal of the reference voltage source with the first terminal a first resistor, a second terminal of the reference voltage source is connected to a connection point of another power electronic key derivation and output of the intermediate inductive storage, constructed in the form of an autotransformer.