RU2541519C1

RU2541519C1 - Stabilised dc voltage converter

Info

Publication number: RU2541519C1
Application number: RU2014106837/07A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Иванович Гутников; Андрей Сергеевич Анашкин
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority date: 2014-02-24
Filing date: 2014-02-24
Publication date: 2015-02-20

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: claimed device comprises a source of direct current, voltage stabiliser, Schmitt trigger, integrating RC-circuit, a key, pulse transformer, the first and second differential voltage comparators (DVC), rectifier and filter coupled to the respective load, the first and second parallel RC-circuits, three capacitors, six diodes, six resistors and voltage limiting terminal, at that the key is based on NO gate, which output is the key input while its output is connected to the gate of switching MOS-transistor with n-channel, which drain is the first output of the key, its source is the second output of the key, at that pulse transformed comprises primary winding, n of secondary windings where n=1, 2…, and the second secondary winding.

EFFECT: improving stability of output voltage at load in the wider range of input voltage and ambient temperature values, ensuring short circuit protection in the load both for switching FET transistor with channel of n-type and source of direct current.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам стабилизации напряжения.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to voltage stabilization devices.

Известен стабилизированный преобразователь постоянного напряжения (Применение IGBT-приборов фирмы Motorola в импульсных сетевых адаптерах/Компоненты и технологии №3, 2000 г., стр.44-45, рис.4), содержащий источник постоянного напряжения, между первым и вторым выводами которого включен параметрический стабилизатор напряжения, выход которого подключен к первому выводу питания триггера Шмитта, второй вывод питания которого подключен ко второму выводу источника постоянного напряжения, а инверсный выход через последовательно соединенные первые резистор и конденсатор непосредственно соединен с входом управления ключа. Первый вывод ключа соединен со вторым выводом источника постоянного напряжения через второй резистор, второй вывод ключа - с первым выводом источника постоянного напряжения через первичную обмотку импульсного трансформатора, содержащего вторичную обмотку, которая через последовательно соединенные однополупериодный выпрямитель и фильтр подключена к нагрузке. Преобразователь содержит также два диода, интегрирующую RC-цепь, стабилитрон, с третьего по шестой резисторы, регулирующее устройство на микросхеме, диодно-транзисторный оптрон гальванической развязки, тиристор. Точка соединения первых резистора и конденсатора подключена к входу триггера Шмитта, вывод вторичной обмотки через диод подключен к интегрирующей RC-цепи, выход которой подключен к параллельно соединенным стабилитрону и первым управляющим входам регулирующего устройства. Нагрузка подключена через последовательно соединенные третий и четвертый резисторы к другому управляющему входу регулирующего устройства. Выходы регулирующего устройства подключены к диодному входу диодно-транзисторного оптрона гальванической развязки, коллекторный выход которого соединен с выходом параметрического стабилизатора напряжения, эмиттерный выход подключен к входу тиристора, подключенному к интегрирующему конденсатору и через пятый резистор к выводу второго резистора. Выход тиристора подключен к управляющему входу ключа, шестой резистор подключен к третьему управляющему входу регулирующего устройства на микросхеме.Known stabilized DC voltage Converter (Application of Motorola IGBT devices in switching network adapters / Components and Technologies No. 3, 2000, pp. 44-45, Fig. 4), containing a constant voltage source between which the first and second terminals are turned on a parametric voltage stabilizer, the output of which is connected to the first power output of a Schmitt trigger, the second power output of which is connected to the second output of a constant voltage source, and the inverse output through series-connected first res the side and capacitor are directly connected to the key control input. The first terminal of the switch is connected to the second terminal of the DC voltage source through the second resistor, the second terminal of the switch is connected to the first terminal of the DC voltage source through the primary winding of the pulse transformer containing the secondary winding, which is connected through the series-connected half-wave rectifier and the filter to the load. The converter also contains two diodes, an integrating RC circuit, a zener diode, third through sixth resistors, a regulating device on a microcircuit, a diode-transistor optocoupler of galvanic isolation, and a thyristor. The connection point of the first resistor and capacitor is connected to the Schmitt trigger input, the secondary winding output through the diode is connected to an integrating RC circuit, the output of which is connected to the zener diode and the first control inputs of the control device connected in parallel. The load is connected via series-connected third and fourth resistors to another control input of the regulating device. The outputs of the control device are connected to the diode input of the diode-transistor optocoupler of galvanic isolation, the collector output of which is connected to the output of the parametric voltage stabilizer, the emitter output is connected to the input of the thyristor connected to the integrating capacitor and through the fifth resistor to the output of the second resistor. The thyristor output is connected to the control input of the key, the sixth resistor is connected to the third control input of the regulating device on the chip.

Достоинством описанного преобразователя является гальваническая развязка источника постоянного напряжения от единственной вторичной цепи за счет диодно-транзисторного оптрона.The advantage of the described converter is galvanic isolation of the DC voltage source from a single secondary circuit due to a diode-transistor optocoupler.

Недостатками данного устройства являются:The disadvantages of this device are:

1) Сложность из-за большого количества радиоэлементов таких, как тиристор, диодно-транзисторный оптрон гальванической развязки, регулирующее устройство на микросхеме, резисторы; большое число оптронов и регулирующих устройств на микросхемах при стабилизации нескольких вторичных входных напряжений вследствие подключения каждого из оптронов и регулирующих устройств к соответствующей вторичной обмотке.1) Complexity due to the large number of radio elements such as a thyristor, a diode-transistor optocoupler of galvanic isolation, a regulating device on a microcircuit, resistors; a large number of optocouplers and regulating devices on microchips during stabilization of several secondary input voltages due to the connection of each of the optocouplers and regulating devices to the corresponding secondary winding.

2) Нестабильность в широком диапазоне входных напряжений и температур окружающей среды из-за нестабильного тиристора и работы в режиме частотно-импульсной (ЧИМ) модуляции.2) Instability in a wide range of input voltages and ambient temperatures due to unstable thyristor and operation in the frequency-pulse (PFM) modulation mode.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по совокупности существенных признаков является стабилизированный преобразователь постоянного напряжения (патент РФ №2314626, приоритет от 14.08.2006 г. «Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения». Авторы Гутников А.И., Можайченко В.Г., МПК: Н02М 3/335, опубликовано 10.01.2008 г., БИ №1,), содержащий источник постоянного напряжения, между первым и вторым выводами которого включен параметрический стабилизатор напряжения, выход которого подключен к первому выводу питания триггера Шмитта, второй вывод питания которого подключен ко второму выводу источника постоянного напряжения. Вход триггера Шмитта подключен к первому выводу первого резистора и аноду стабилитрона, а инверсный выход триггера Шмитта - к первым выводам второго резистора и третьего резистора, второй вывод которого соединен со вторым выводом первого резистора и через первый конденсатор со вторым выводом источника постоянного напряжения. Вход управления ключа подключен к инверсному выходу триггера Шмитта, первый вывод ключа - ко второму выводу источника постоянного напряжения, второй вывод ключа - к первому выводу источника постоянного напряжения через первичную обмотку импульсного трансформатора, содержащего n первых вторичных обмоток (где n=1, 2, …), каждая из которых через последовательно соединенные соответствующие выпрямитель и фильтр подключена к соответствующей нагрузке, и вторую вторичную обмотку, первый вывод которой непосредственно подключен ко второму выводу источника постоянного напряжения, второй вывод подключен к аноду диода, катод которого подключен к первому выводу резистора и через конденсатор ко второму выводу источника постоянного напряжения. Катод диода подключен ко второму выводу резистора, а анод - к точке соединения резистора, конденсатора и резистора, анод диода подключен ко второму выводу резистора, а катод - к катоду стабилитрона. Выводы резистора соединены с катодом диода и вторым выводом источника постоянного напряжения соответственно.The closest to the proposed invention in terms of essential features is a stabilized DC-voltage converter (RF patent No. 2314626, priority dated 08/14/2006, "Stable DC-voltage converter." Authors Gutnikov AI, Mozhaichenko VG, IPC: Н02М 3/335, published January 10, 2008, BI No. 1,), containing a constant voltage source, between the first and second terminals of which a parametric voltage regulator is connected, the output of which is connected to the first power supply terminal of the Schmitt trigger, the second the power terminal of which is connected to the second terminal of the DC voltage source. The Schmitt trigger input is connected to the first output of the first resistor and the zener diode anode, and the Schmitt trigger inverse output is connected to the first outputs of the second resistor and third resistor, the second output of which is connected to the second output of the first resistor and through the first capacitor to the second output of the DC voltage source. The key control input is connected to the inverse output of the Schmitt trigger, the first key output to the second output of the DC voltage source, the second key output to the first output of the DC voltage source through the primary winding of the pulse transformer containing n first secondary windings (where n = 1, 2, ...), each of which is connected in series through the corresponding rectifier and filter to a corresponding load, and a second secondary winding, the first terminal of which is directly connected to the second terminal Sources of DC voltage, a second terminal connected to the anode of the diode, the cathode of which is connected to a first terminal of a resistor and through a capacitor to the second terminal of the DC voltage. The cathode of the diode is connected to the second terminal of the resistor, and the anode is connected to the connection point of the resistor, capacitor and resistor, the anode of the diode is connected to the second terminal of the resistor, and the cathode is connected to the cathode of the zener diode. The terminals of the resistor are connected to the cathode of the diode and the second terminal of the DC voltage source, respectively.

Недостатком данного устройства является недостаточная стабильность выходного напряжения в широком диапазоне изменения входного напряжения и воздействии температуры окружающей среды из-за основного режима ЧИМ модуляции, использования импульсных стабилитронов с изначально нестабильным напряжением стабилизации при изготовлении и последующем старении, наличие цепи стабилизации выходного напряжения только по цепи индуктивной обратной связи и отсутствия дополнительной цепи стабилизации выходного напряжения по входному воздействию (входному напряжению).The disadvantage of this device is the lack of stability of the output voltage in a wide range of changes in the input voltage and the influence of the ambient temperature due to the main mode of PFM modulation, the use of pulsed zener diodes with an initially unstable stabilization voltage during manufacture and subsequent aging, the presence of an output voltage stabilization circuit only along the inductive circuit feedback and the absence of an additional circuit for stabilizing the output voltage by the input action ( input voltage).

Технические результаты, на достижение которых направлено изобретение, заключаются в повышении стабильности выходного напряжения на нагрузке в более широком диапазоне входных напряжении и температур окружающей среды, а также обеспечении защиты от тока короткого замыкания в нагрузке как переключающего транзистора с каналом n-типа, так и источника постоянного напряжения.The technical results to which the invention is directed are to increase the stability of the output voltage at the load in a wider range of input voltage and ambient temperatures, as well as provide protection against short-circuit current in the load of both a switching transistor with an n-type channel and a source constant voltage.

Данные технические результаты достигаются тем, что в стабилизированном преобразователе постоянного напряжения, содержащем источник постоянного напряжения, между первым и вторым выводами которого включен параметрический стабилизатор напряжения, выход которого подключен к первому выводу питания триггера Шмитта, второй вывод питания которого подключен ко второму выводу источника постоянного напряжения, а инверсный выход соединен с первым выводом первого резистора и через второй резистор с катодом первого диода, анод которого соединен со вторым выводом первого резистора и через первый конденсатор со вторым выводом источника постоянного напряжения, первый выход ключа через первичную обмотку импульсного трансформатора подключен к первому выводу источника постоянного напряжения, n первых вторичных обмоток импульсного трансформатора (где n=1, 2, …), каждая из которых через последовательно соединенные соответствующие выпрямитель и фильтр подключена к соответствующей нагрузке, и вторую вторичную обмотку импульсного трансформатора, первый вывод которой подключен ко второму выводу источника постоянного напряжения, а второй вывод соединен с анодом второго диода, катод которого соединен с входом первой параллельной RC-цепи, третий диод, третий и четвертый резисторы, новым является то, что дополнительно введены клемма напряжения ограничения, вторая параллельная RC-цепь, первый и второй дифференциальные компараторы напряжения, второй конденсатор, четвертый, пятый и шестой диоды, пятый и шестой резисторы, интегрирующая RC-цепь, вход которой соединен с инверсным выходом триггера Шмитта, вход которого соединен с анодом первого диода, выход интегрирующей RC-цепи соединен с инвертирующим входом первого дифференциального компаратора напряжения (ДКН), выход которого соединен через последовательно соединенные третий и четвертый резисторы с первым выводом источника постоянного напряжения и с входом ключа, второй выход которого соединен через вторую параллельную RC-цепь со вторым выводом источника постоянного напряжения и с неинвертирующим входом второго ДКН, инвертирующий вход которого подключен к клемме напряжения ограничения, а выход соединен с катодом третьего диода, анод которого через пятый резистор соединен с выходом первой параллельной RC-цепи, точкой соединения третьего и четвертого резисторов, неинвертирующим входом первого ДКН и анодом четвертого диода, катод которого соединен с выходом параметрического стабилизатора напряжения, первым выводом шестого резистора и анодом пятого диода, катод которого соединен с входом первой параллельной RC-цепи, второй вывод второй вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с анодом шестого диода, катод которого соединен со вторым выводом шестого резистора и через второй конденсатор со вторым выводом источника постоянного напряжения, который соединен через третий конденсатор с катодом второго диода, при этом ключ выполнен на логическом элементе НЕ, вход которого является входом ключа, а выход соединен с затвором переключающего МОП-транзистора с n-каналом, сток которого является первым выходом ключа, а исток - вторым выходом ключа.These technical results are achieved by the fact that in a stabilized DC-voltage converter containing a constant voltage source, between the first and second terminals of which a parametric voltage regulator is connected, the output of which is connected to the first power terminal of a Schmitt trigger, the second power terminal of which is connected to the second terminal of a constant voltage source and the inverse output is connected to the first terminal of the first resistor and through the second resistor to the cathode of the first diode, the anode of which is connected with the second terminal of the first resistor and through the first capacitor with the second terminal of the DC voltage source, the first output of the key through the primary winding of the pulse transformer is connected to the first terminal of the DC voltage source, n of the first secondary windings of the pulse transformer (where n = 1, 2, ...), each of which, through a series-connected corresponding rectifier and filter, is connected to the corresponding load, and a second secondary winding of the pulse transformer, the first output of which is connected to the second to the output terminal of the DC voltage source, and the second terminal is connected to the anode of the second diode, the cathode of which is connected to the input of the first parallel RC circuit, the third diode, the third and fourth resistors, new is that an additional limiting voltage terminal, a second parallel RC circuit are introduced , the first and second differential voltage comparators, the second capacitor, the fourth, fifth and sixth diodes, the fifth and sixth resistors, integrating an RC circuit, the input of which is connected to the inverse output of the Schmitt trigger, the input of which is connected to a by the node of the first diode, the output of the integrating RC circuit is connected to the inverting input of the first differential voltage comparator (DCN), the output of which is connected through series-connected third and fourth resistors to the first output of the DC voltage source and to the key input, the second output of which is connected through the second parallel RC - a circuit with a second output of a DC voltage source and with a non-inverting input of the second DTC, the inverting input of which is connected to the limit voltage terminal, and the output is connected to by the third diode method, the anode of which through the fifth resistor is connected to the output of the first parallel RC circuit, the connection point of the third and fourth resistors, the non-inverting input of the first DCN and the anode of the fourth diode, the cathode of which is connected to the output of the parametric voltage regulator, the first output of the sixth resistor and the anode of the fifth a diode whose cathode is connected to the input of the first parallel RC circuit, the second terminal of the second secondary winding of the pulse transformer is connected to the anode of the sixth diode, the cathode of which is connected to the second output of the sixth resistor and through the second capacitor with the second output of the DC voltage source, which is connected through the third capacitor to the cathode of the second diode, the key is made on a logic element NOT, the input of which is the key input, and the output is connected to the gate of the switching MOS transistor with n-channel, the drain of which is the first output of the key, and the source is the second output of the key.

Указанная совокупность признаков обеспечивает более высокую стабильность выходного напряжения на нагрузке в расширенном диапазоне напряжений нестабильного источника постоянного напряжения и в расширенном диапазоне температур, а также защиту от токов короткого замыкания в нагрузке переключающего МОП-транзистора с каналом n-типа и источника постоянного напряжения (аккумулятора) за счет введения стабильной цепи ШИМ модуляции на первом ДКН, управляемой как по цепи индуктивной, термокомпенсируемой парными пятым и третьим диодами и равными резисторами (пятый резистор и резистор первой параллельной RC-цепи), обратной связи, так и по входному воздействию за счет четвертого резистора, подключенного к нестабильному источнику постоянного напряжения и управляющему входу ШИМ модуляции (неинвертирующему входу первого ДКН). Защита от короткого замыкания обеспечивается вторым ДКН, выход которого подключен к третьему диоду (диод отключения обратной связи), а неинвертирующий и инвертирующий входы - ко второй параллельной RC-цепи и клемме напряжения ограничения соответственно.The specified set of features provides higher stability of the output voltage at the load in the extended voltage range of an unstable DC voltage source and in the extended temperature range, as well as protection against short-circuit currents in the load of a switching MOSFET with an n-type channel and a constant voltage source (battery) due to the introduction of a stable PWM modulation circuit on the first DCD, controlled both by an inductive circuit, thermally compensated by paired fifth and third diodes and equal E resistors (fifth resistor and the first parallel resistor RC-circuit), feedback and feed forward due to the fourth resistor connected to the unstable DC voltage source and the control input of the PWM modulation (the noninverting input of the first DTC). Short circuit protection is provided by the second DTC, the output of which is connected to the third diode (feedback disconnect diode), and the non-inverting and inverting inputs to the second parallel RC circuit and the limit voltage terminal, respectively.

На фиг.1 приведена структурная схема стабилизированного преобразователя постоянного напряжения, на фиг.2 - временные диаграммы его работы.Figure 1 shows the structural diagram of a stabilized DC-DC converter, figure 2 is a timing diagram of its operation.

Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения (фиг.1) содержит источник 1 постоянного напряжения, между первым и вторым выводами которого включен параметрический стабилизатор 2 напряжения, триггер Шмитта 3, интегрирующую RC-цепь 4, ключ 5, импульсный трансформатор 6, первый 7 и второй 8 дифференциальные компараторы напряжения, первая 9 и вторая 10 параллельные RC-цепи, первый 11, второй 12 и третий 13 конденсаторы, первый 14, второй 15, третий 16, четвертый 17, пятый 18 и шестой 19 диоды, первый 20, второй 21, третий 22, четвертый 23, пятый 24 и шестой 25 резисторы и клемму 26 напряжения ограничения.The stabilized DC-DC converter (Fig. 1) contains a DC voltage source 1, between the first and second terminals of which a parametric voltage stabilizer 2, a Schmitt trigger 3, an integrating RC circuit 4, a key 5, a pulse transformer 6, the first 7 and the second 8 differential voltage comparators, first 9 and second 10 parallel RC circuits, first 11, second 12 and third 13 capacitors, first 14, second 15, third 16, fourth 17, fifth 18 and sixth 19 diodes, first 20, second 21, third 22 , fourth 23, fifth 24 and sixth 25 res sources and voltage limiting terminal 26.

Импульсный трансформатор 6 включает первичную обмотку 27, n первых вторичных обмоток 28, где n=1, 2…, и вторую вторичную обмотку 29. Каждая из n первых вторичных обмоток 28 через последовательно соединенные соответствующие выпрямитель 30 и фильтр 31 подключена к соответствующей нагрузке 32.Pulse transformer 6 includes a primary winding 27, n of the first secondary windings 28, where n = 1, 2 ..., and a second secondary winding 29. Each of the n first secondary windings 28 is connected through a series-connected respective rectifier 30 and filter 31 to a corresponding load 32.

Выход параметрического стабилизатора 2 напряжения подключен к первому выводу питания триггера Шмитта 3, второй вывод питания которого подключен ко второму выводу источника 1 постоянного напряжения. Инверсный выход триггера Шмитта 3 соединен с первым выводом первого резистора 20 и через второй резистор 21 с катодом первого диода 14, анод которого соединен со вторым выводом первого резистора 20 и через первый конденсатор 11 со вторым выводом источника 1 постоянного напряжения. Первый выход ключа 5 через первичную обмотку 27 импульсного трансформатора 6 подключен к первому выводу источника 1 постоянного напряжения. Первый вывод второй вторичной обмотки 29 импульсного трансформатора 6 подключен ко второму выводу источника 1 постоянного напряжения, а второй вывод соединен с анодом второго диода 15, катод которого соединен с входом первой параллельной RC-цепи 9. Вход интегрирующей RC-цепь 4 соединен с инверсным выходом триггера Шмитта 3, вход которого соединен с анодом первого диода 14. Выход интегрирующей RC-цепи 4 соединен с инвертирующим входом первого ДКН 7, выход которого соединен через последовательно соединенные третий 22 и четвертый 23 резисторы с первым выводом источника 1 постоянного напряжения и с входом ключа 5. Второй выход ключа 5 соединен через вторую параллельную RC-цепь 10 со вторым выводом источника 1 постоянного напряжения и с неинвертирующим входом второго ДКН 8. Инвертирующий вход второго ДКН 8 подключен к клемме 26 напряжения ограничения, а выход соединен с катодом третьего диода 16. Анод третьего диода 16 через пятый резистор 24 соединен с выходом первой параллельной RC-цепи 9, точкой соединения третьего 22 и четвертого 23 резисторов, неинвертирующим входом первого ДКН 7 и анодом четвертого диода 17. Катод четвертого диода 17 соединен с выходом параметрического стабилизатора 2 напряжения, первым выводом шестого резистора 25 и анодом пятого диода 18, катод которого соединен с входом первой параллельной RC-цепи 9. Второй вывод второй вторичной обмотки 29 импульсного трансформатора 6 соединен с анодом шестого диода 19, катод которого соединен со вторым выводом шестого резистора 25 и через второй конденсатор 12 со вторым выводом источника 1 постоянного напряжения, который соединен через третий конденсатор 13 с катодом второго диода 15.The output of the parametric voltage stabilizer 2 is connected to the first power output of the Schmitt trigger 3, the second power output of which is connected to the second output of the constant voltage source 1. The inverse output of the Schmitt trigger 3 is connected to the first terminal of the first resistor 20 and through the second resistor 21 to the cathode of the first diode 14, the anode of which is connected to the second terminal of the first resistor 20 and through the first capacitor 11 with the second terminal of the DC voltage source 1. The first output of the key 5 through the primary winding 27 of the pulse transformer 6 is connected to the first output of the constant voltage source 1. The first terminal of the second secondary winding 29 of the pulse transformer 6 is connected to the second terminal of the DC voltage source 1, and the second terminal is connected to the anode of the second diode 15, the cathode of which is connected to the input of the first parallel RC circuit 9. The input of the integrating RC circuit 4 is connected to the inverse output Schmitt trigger 3, the input of which is connected to the anode of the first diode 14. The output of the integrating RC circuit 4 is connected to the inverting input of the first DCN 7, the output of which is connected through series-connected third 22 and fourth 23 resistors to the first the output of the constant voltage source 1 and with the input of the key 5. The second output of the key 5 is connected via the second parallel RC circuit 10 to the second output of the constant voltage source 1 and with the non-inverting input of the second DKN 8. The inverting input of the second DKN 8 is connected to the limit voltage terminal 26, and the output is connected to the cathode of the third diode 16. The anode of the third diode 16 is connected through the fifth resistor 24 to the output of the first parallel RC circuit 9, the connection point of the third 22 and fourth 23 resistors, the non-inverting input of the first DCN 7 and the fourth anode diode 17. The cathode of the fourth diode 17 is connected to the output of the parametric voltage stabilizer 2, the first output of the sixth resistor 25 and the anode of the fifth diode 18, the cathode of which is connected to the input of the first parallel RC circuit 9. The second output of the second secondary winding 29 of the pulse transformer 6 is connected to the anode of the sixth diode 19, the cathode of which is connected to the second terminal of the sixth resistor 25 and through the second capacitor 12 to the second terminal of the DC voltage source 1, which is connected through the third capacitor 13 to the cathode of the second diode 15.

Ключ 5 выполнен на логическом элементе НЕ 33, выход которого является входом ключа 5, а выход соединен с затвором переключающего МОП-транзистора 34 с n-каналом, сток которого является первым выходом ключа 5, а исток - вторым выходом ключа 5.The key 5 is made on a logical element NOT 33, the output of which is the input of the key 5, and the output is connected to the gate of the switching MOSFET transistor 34 with an n-channel, the drain of which is the first output of the key 5, and the source is the second output of the key 5.

В макете стабилизированного преобразователя постоянного напряжения применена серийная микросхема триггера Шмитта типа 1564ТЛ2 или 1526ТЛ1, параметрический стабилизатор 2 напряжения выполнен на резисторе и опорном стабилитроне 2С156B с фильтрующим конденсатором (на фиг.1 не показан). Силовая часть ключа 5 выполнена на переключающем МОП-транзисторе 34 с каналом n-типа (2П762А). При напряжениях источника 1 постоянного напряжения выше 90 B переключающий МОП-транзистор выполнен на БТИ3-транзисторе (MMG05N60D) или других структурах. Управляющая часть ключа 5 (логический элемент НЕ 33) выполнена на трех остальных элементах микросхемы 1564ТЛ2 (или 1526ТЛ1), соединенных параллельно к затвору транзистора 2П762А. В схеме ШИМ модуляции и схеме защиты от короткого замыкания использована микросхема счетверенного ДКН 7 типа 1401СА1 (или 521CA3) с дополнительным резистором на открытом коллекторном выходе, подключенном к выходу параметрического стабилизатора 2 напряжения, или микросхема счетверенного скоростного операционного усилителя 544УД14 без дополнительного резистора.A serial Schmitt trigger chip of type 1564TL2 or 1526TL1 is used in the model of a stabilized DC-DC converter, a parametric voltage stabilizer 2 is made on a resistor and a reference zener diode 2C156B with a filtering capacitor (not shown in Fig. 1). The power part of the key 5 is made on a switching MOS transistor 34 with an n-type channel (2P762A). When the voltage of the source 1 constant voltage above 90 V, the switching MOS transistor is made on a BTI3 transistor (MMG05N60D) or other structures. The control part of the key 5 (logical element NOT 33) is made on the other three elements of the 1564ТЛ2 (or 1526ТЛ1) microcircuit connected in parallel to the gate of the 2P762A transistor. The PWM modulation scheme and the short circuit protection circuit use a quadruple DKN 7 microcircuit of type 1401CA1 (or 521CA3) with an additional resistor on an open collector output connected to the output of a parametric voltage stabilizer 2, or a quadruple high-speed operational amplifier 544UD14 microcircuit without an additional resistor.

Импульсный трансформатор 6 выполнен на сердечнике из пермаллоя МП 140. Источник 1 постоянного напряжения - аккумуляторы с выходными напряжениями от 20 до 90 B, выпрямитель 30 выполнен по однополупериодной схеме на диоде 2Д106, а диоды 14, 15, 17, 19 типа 2Д522Б. Парные диоды 18 и 16 типа 2ДС523. Остальные резисторы типа Р1-16, конденсаторы типа К53-16 и К10-43 В. Напряжение ограничения равное 0,3 B на клемме 26 получено с помощью резистивного делителя, подключенного к выходу параметрического стабилизатора 2 напряжения (на фиг.1 не показано).The pulse transformer 6 is made on the core from permalloy MP 140. The constant voltage source 1 is accumulators with output voltages from 20 to 90 V, the rectifier 30 is made according to a half-wave circuit on a 2D106 diode, and diodes 14, 15, 17, 19 are of type 2D522B. Paired diodes 18 and 16 of type 2DS523. The remaining resistors of type P1-16, capacitors of type K53-16 and K10-43 V. The limiting voltage of 0.3 V at terminal 26 was obtained using a resistive divider connected to the output of the parametric voltage stabilizer 2 (not shown in Fig. 1).

Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения работает следующим образом.A stabilized DC-DC converter operates as follows.

При рассмотрении работы следует учесть, что в примере конкретного выполнения (фиг.1) представлена схема включения с трансформаторным выходом и цепью индуктивной стабилизирующей обратной связи с использованием регулирующей второй вторичной обмотки 29 с подключенными к ней элементами, вторая цепь стабилизирующей обратной связи выполнена на резисторе 23.When considering the work, it should be noted that in the example of a specific implementation (Fig. 1), a switching circuit with a transformer output and an inductive stabilizing feedback circuit using a regulating second secondary winding 29 with elements connected to it is presented, the second stabilizing feedback circuit is made on the resistor 23 .

Такая схема необходима в преобразователях, где требуется гальваническая развязка и стабилизация нескольких выходных напряжений в широком диапазоне изменения напряжения источника 1 постоянного напряжения.Such a circuit is necessary in converters where galvanic isolation and stabilization of several output voltages is required in a wide range of voltage variations of a constant voltage source 1.

На фиг.2 представлены временные диаграммы, где:Figure 2 presents the timing diagram, where:

U₃ - напряжение на выходе триггера Шмитта 3, представляющее собой прямоугольное напряжение положительной полярности со скважностью, близкой к двойке, и амплитудой 5 B, стабилизированной параметрическим стабилизатором 2 напряжения;U ₃ is the voltage at the output of the Schmitt trigger 3, which is a rectangular voltage of positive polarity with a duty cycle close to two and an amplitude of 5 V stabilized by a parametric voltage stabilizer 2;

U₄ - напряжение на выходе интегрирующей RC-цепи 4, представляющее собой экспоненциальное напряжение, нарастающее практически до напряжения 5 B за время импульса триггера Шмитта 3;U ₄ is the voltage at the output of the integrating RC circuit 4, which is an exponential voltage, increasing almost to a voltage of 5 V during the pulse of Schmitt trigger 3;

U₃₃ - напряжение на выходе логического элемента НЕ 33, длительность импульса на выходе которого равна длительности импульса на выходе первого ДКН 7, определяющего время протекания треугольного тока через переключающий МОП-транзистор 34 с каналом n-типа;U ₃₃ is the voltage at the output of the logical element NOT 33, the pulse width at the output of which is equal to the pulse width at the output of the first DTC 7, which determines the time of the passage of the triangular current through the switching MOS transistor 34 with an n-type channel;

U₁ - изменяющееся в широком диапазоне напряжение источника 1 постоянного напряжения, называемое далее входным напряжением.U ₁ - varying in a wide range the voltage of the source 1 constant voltage, hereinafter referred to as the input voltage.

Триггер Шмитта 3 с резисторами 21, 20, конденсатором 11 и диодом 14 образуют задающий генератор одной частоты с амплитудой 5,6 B, стабилизированным параметрическим стабилизатором 2 напряжения. Напряжение на источнике 1 постоянного напряжения изменяется в диапазоне от 20 до 90 B и более (см. U₁ на фиг.2). В исходном состоянии второй ДКН 8 открыт и насыщен до 0,1 B за счет положительного напряжения ограничения 0,3 B с клеммы 26. Через пусковую цепь: диод 18 - резистор первой параллельной RC-цепи 9 (далее резистор 9, сопротивление которого равно сопротивлению резистору 24) - резистор 24 - диод 16 - насыщенный до 0,1 B выход второго ДКН 8 на неинвертирующий вход первого ДКН 7 подается напряжение, равное половине напряжения с выхода параметрического стабилизатора 2 напряжения, вследствие чего первый ДКН 7 периодически переключается (синхронно с импульсами триггера Шмитта 3) по совпадению уровней экспоненциального напряжения U₄ на выходе интегрирующей RC-цепи 4 (см. U₄ на фиг.2) и напряжения в цепи обратной связи. После накачки энергии в импульсный трансформатор 6, когда напряжение на обмотке обратной связи 29 увеличится, диод 18 запирается, стабилизация осуществляется через цепь обратной связи: диод 15 - резистор 9 - резистор 24 - диод 16 - насыщенный до 0,1 B выход ДКН 8.Schmitt trigger 3 with resistors 21, 20, capacitor 11 and diode 14 form a master oscillator of the same frequency with an amplitude of 5.6 V, stabilized parametric voltage stabilizer 2. The voltage at a constant voltage source 1 varies in the range from 20 to 90 V or more (see U ₁ in FIG. 2). In the initial state, the second DTC 8 is open and saturated to 0.1 V due to the positive limiting voltage of 0.3 V from terminal 26. Through the start circuit: diode 18 is the resistor of the first parallel RC circuit 9 (hereinafter, resistor 9, the resistance of which is equal to the resistance a resistor 24) - a resistor 24 - a diode 16 - the output of the second DCN 8 saturated to 0.1 V outputs a voltage equal to half the voltage from the output of the parametric voltage stabilizer 2 to the non-inverting input of the first DCN 7, as a result of which the first DCN 7 is periodically switched (synchronously with pulses trigger and Schmitt 3) by the coincidence of the levels of the exponential voltage U ₄ at the output of the integrating RC circuit 4 (see U ₄ in figure 2) and the voltage in the feedback circuit. After pumping energy into a pulse transformer 6, when the voltage at the feedback winding 29 increases, the diode 18 is locked, stabilization is carried out through the feedback circuit: diode 15 - resistor 9 - resistor 24 - diode 16 - DKN 8 output saturated to 0.1 V.

Парные диоды 18 и 16 с равным температурными коэффициентами напряжения и резисторы 9 и 24 ведут термокомпенсацию стабилизированного напряжения. Прямоугольное напряжение с выхода триггера Шмитта 3 преобразуется в экспоненциальное напряжение (но не треугольное и не с дифференцирующей RC-цепи), важное для поддержания высокой стабильности выходного напряжения в нагрузке 32. Подобная форма напряжения обеспечивает высокую скорость изменения длительности импульса (длительности импульса широтно-импульсной (ШИМ) модуляции) вблизи вершины экспоненты. Другая цепь стабилизации по входному напряжению содержит: источник 1 постоянного напряжения - резистор 23 - резистор 24 - диод 16 - насыщенный выход ДКН 8, что еще более увеличивает стабилизацию за счет суммирующего действия (с выше описанной цепью индуктивной обратной связи), направленного на дальнейшее уменьшение длительности импульса при повышении входного напряжения (см. U₃₃ на фиг.2 при U₁=90 B), а значит и длительности импульса тока в первичной обмотке импульсного трансформатора 6. Таким образом, обеспечивается стабилизация выходного напряжения на нагрузке 32 в широком диапазоне (от 20 до 90 B) изменения напряжения источника 1 постоянного напряжения. Диод 18 с резистором 9 и диод 16 с резистором 24 образуют парную термокомпенсирующую цепь для сохранения стабилизированного напряжения на нагрузке 32 в широком диапазоне температур окружающей среды. Резистор 22 обеспечивает гистерезис ДКН 7 для устойчивой работы ШИМ модуляции при помехах в выше описанных цепях управления. Этому же способствует и конденсатор параллельной RC-цепи 9. Интегрирующая параллельная RC-цепь 4 усредняет треугольные импульсы тока в истоке МОП-транзистора 34 и подает на инвертирующий вход ДКН 8. В случае короткого замыкания в нагрузке 32 усредненное напряжение вырастает выше 0,3 B заданного извне уровня напряжения ограничения на клемме 26, ДКН 8 закроется и диод 16 окажется запертым. При этом через резистор 9 с параметрического стабилизатора 2 напряжения и резистор 23 с источника 1 постоянного напряжения поступает повышенное напряжение, ограниченное диодом 17, большее максимального напряжения экспоненты (см. U₄ на фиг.2), запирающее ДКН 7, и через логический элемент НЕ 33 выключает его логическим нулем МОП-транзистора 34. При снятии короткого замыкания в нагрузке 32 схема восстанавливается без дополнительного выключения питания. Логический элемент НЕ 33 обеспечивает работу МОП-транзистора 34, затвор которого имеет существенную емкостную составляющую. Чаще это такой же триггер Шмитта (серии 1564), как и триггер Шмитта 3, хорошо работающий на емкостную нагрузку затвора. Количество вторичных обмоток 28, выпрямителей 30, фильтров 31, нагрузок 32 увеличивается при необходимости до нужного числа. Для минимизации мощности, рассеиваемой параметрическим стабилизатором 2 напряжения в режиме высокого входного напряжения от 20 до 90 B, величина его выходного тока составляет малую часть, необходимую только для запуска триггера Шмитта 3. После запуска большая часть тока обеспечивается с выхода выпрямителя (диод 19, конденсатор 12), подключенного к низковольтной второй вторичной обмотке 29, выполняющей основную функцию не только стабилизации, но и дополнительную функцию закачки необходимого напряжения через ограничительный резистор 25 в цепь питания триггера Шмитта 3 и остальной слаботочной цепи управления.Paired diodes 18 and 16 with equal temperature voltage coefficients and resistors 9 and 24 conduct temperature compensation of the stabilized voltage. The rectangular voltage from the output of the Schmitt trigger 3 is converted to an exponential voltage (but not triangular and not with a differentiating RC circuit), which is important for maintaining high stability of the output voltage in the load 32. This form of voltage provides a high rate of change of the pulse duration (pulse width of the pulse-width pulse) (PWM) modulation) near the apex of the exponent. Another stabilization circuit for the input voltage contains: DC voltage source 1 - resistor 23 - resistor 24 - diode 16 - saturated output of DCN 8, which further increases stabilization due to the summing action (with the inductive feedback circuit described above), aimed at further reducing pulse width with increasing input voltage (see. U in Figure 2 at ₃₃ U 90 = ₁ B), and thus the current pulse in the primary winding of the pulse transformer 6. Thus, a stabilization of the voltage output Ia to load 32 over a wide range (20 to 90 B) changing the DC voltage source 1 voltage. A diode 18 with a resistor 9 and a diode 16 with a resistor 24 form a pair of thermal compensation circuit to maintain a stable voltage at a load 32 in a wide range of ambient temperatures. Resistor 22 provides a hysteresis of DCN 7 for stable operation of PWM modulation in case of interference in the control circuits described above. The capacitor of the parallel RC circuit 9 also contributes to this. The integrating parallel RC circuit 4 averages the triangular current pulses at the source of the MOS transistor 34 and supplies the inverter input to the DCH 8. In case of a short circuit in the load 32, the average voltage rises above 0.3 V the externally set voltage level of the limitation at terminal 26, the DTC 8 will close and the diode 16 will be locked. Moreover, through the resistor 9 from the parametric voltage stabilizer 2 and the resistor 23 from the source 1 of the constant voltage, an increased voltage is supplied, limited by the diode 17, greater than the maximum voltage of the exponent (see U ₄ in figure 2), blocking the DTC 7, and through the logic element NOT 33 turns it off with the logic zero of the MOS transistor 34. When a short circuit is removed in load 32, the circuit is restored without additional power off. The logic element NOT 33 provides the operation of the MOS transistor 34, the gate of which has a significant capacitive component. More often it is the same Schmitt trigger (1564 series) as the Schmitt trigger 3, which works well for the capacitive load of the shutter. The number of secondary windings 28, rectifiers 30, filters 31, loads 32 increases, if necessary, to the desired number. To minimize the power dissipated by the parametric voltage stabilizer 2 in the high input voltage mode from 20 to 90 V, the value of its output current is a small part, necessary only to trigger Schmitt trigger 3. After starting, most of the current is provided from the output of the rectifier (diode 19, capacitor 12) connected to the low-voltage second secondary winding 29, which performs the main function of not only stabilization, but also the additional function of pumping the required voltage through the limiting resistor 25 into the circuit Schmitt trigger 3 and the rest of the low-current control circuit.

Заявленное изобретение обеспечивает более высокую стабильность выходного напряжения на нагрузке 32 и конденсаторе 13 в расширенном диапазоне напряжений нестабильного источника 1 постоянного напряжения и в расширенном диапазоне температур, а также защиту от токов короткого замыкания в нагрузке 32 переключающего МОП-транзистора 34 с каналом n-типа и источника 1 постоянного напряжения (аккумулятора) из-за введения цепи стабильной ШИМ модуляции на первом ДКН 7, управляемого как по цепи индуктивной, термокомпенсируемой парными диодами 18, 16 и резисторами 9, 24 обратной связи, так и по входному воздействию за счет четвертого резистора 23, подключенного к нестабильному источнику 1 постоянного напряжения и управляющему (неинвертирующему входу первого ДКН 7) входу ШИМ модуляции. Защита от короткого замыкания обеспечивается вторым ДКН 8, выход которого, при коротком замыкании в нагрузке 32, переходит в состояние «выключено», что отключает диод 16 обратной связи при уровне напряжения на выходе второй параллельной RC-цепи 10 (инвертирующем входе второго ДКН 8) выше напряжения (заданного извне) на клемме 26 напряжения ограничения.The claimed invention provides higher stability of the output voltage at the load 32 and the capacitor 13 in the extended voltage range of the unstable DC voltage source 1 and in the extended temperature range, as well as protection against short-circuit currents in the load 32 of the switching MOS transistor 34 with an n-type channel and source 1 of a constant voltage (battery) due to the introduction of a stable PWM modulation circuit on the first DKN 7, controlled as an inductive, thermally compensated pair of diodes 18, 16 and res feedback sources 9, 24, as well as the input effect due to the fourth resistor 23 connected to an unstable DC voltage source 1 and to the control (non-inverting input of the first DCN 7) PWM modulation input. Short circuit protection is provided by the second DTC 8, the output of which, when a short circuit occurs in the load 32, goes into the off state, which turns off the feedback diode 16 at the voltage level at the output of the second parallel RC circuit 10 (inverting input of the second DTC 8) higher than the voltage (externally set) at the limit voltage terminal 26.

Кроме того, в отличие от наиболее близкого аналога, работающего в основном режиме ЧИМ модуляции, заявленное устройство работает в режиме 1ТТИМ модуляции, что обеспечивает меньшие пульсации, а значит и большую стабильность выходного напряжения. Устройство не содержит нестабильных импульсных стабилитронов ближайшего аналога. Для заявленного устройства достаточно параметрического стабилизатора 2 напряжения.In addition, in contrast to the closest analogue operating in the main mode of PFM modulation, the claimed device operates in 1TIM modulation mode, which provides less ripple, and hence greater stability of the output voltage. The device does not contain unstable pulsed zener diodes of the closest analogue. For the claimed device, a parametric voltage stabilizer 2 is sufficient.

Начальное напряжение на нагрузке 32 может быть установлено подстройкой резистора 21 или 6, или резистора интегрирующей RC-цепи 4. При изменении входного напряжения от 20 до 90 B напряжение обратной связи на неинвертирующем входе первого ДКН 7 изменяется от 4,7 до 4,95 B, при этом без резистора 23 выходное напряжение на нагрузке 32 равно 12,8 B и изменяется на 10%, а с резистором 23 выходное напряжение на нагрузке 32 изменяется на 2,5%. В диапазоне температур от минус 40 до 50°C выходное напряжение на нагрузке 32 изменяется на 1%. Стабильность повышена в 4 раза. Полярность диода 14 зависит от исполнения триггера Шмитта: для микросхем серии 1564 полярность диода 14 указана на фиг.1, для микросхем серии 564 анод и катод меняют местами.The initial voltage at the load 32 can be set by adjusting the resistor 21 or 6, or the resistor of the integrating RC circuit 4. When the input voltage changes from 20 to 90 V, the feedback voltage at the non-inverting input of the first DTC 7 changes from 4.7 to 4.95 V while without resistor 23, the output voltage at load 32 is 12.8 V and changes by 10%, and with resistor 23, the output voltage at load 32 changes by 2.5%. In the temperature range from minus 40 to 50 ° C, the output voltage at load 32 changes by 1%. Stability is increased by 4 times. The polarity of the diode 14 depends on the execution of the Schmitt trigger: for the 1564 series microcircuits, the polarity of the diode 14 is shown in Fig. 1, for the 564 series microcircuits, the anode and cathode are interchanged.

Claims

A stabilized DC-voltage converter containing a DC voltage source, between the first and second terminals of which a parametric voltage regulator is connected, the output of which is connected to the first power output of the Schmitt trigger, the second power output of which is connected to the second output of the DC voltage source, and the inverse output is connected to the first output the first resistor and through the second resistor with the cathode of the first diode, the anode of which is connected to the second terminal of the first resistor and through the first to a capacitor with a second output of a DC voltage source, the first output of the key through the primary winding of a pulse transformer is connected to the first output of a DC voltage source, n of the first secondary windings of a pulse transformer, each of which is connected through a series-connected corresponding rectifier and filter to a corresponding load, and a second secondary winding pulse transformer, the first terminal of which is connected to the second terminal of the DC voltage source, and the second terminal is connected inen with the anode of the second diode, the cathode of which is connected to the input of the first parallel RC circuit, the third diode, the third and fourth resistors, characterized in that the limit voltage terminal, the second parallel RC circuit, the first and second differential voltage comparators, the second capacitor are additionally introduced , fourth, fifth and sixth diodes, fifth and sixth resistors, an integrating RC circuit, the input of which is connected to the inverse output of a Schmitt trigger, the input of which is connected to the anode of the first diode, the output of the integrating RC circuit is connected to invert the input of the first differential voltage comparator, the output of which is connected via series-connected third and fourth resistors to the first output of the DC voltage source and to the key input, the second output of which is connected through the second parallel RC circuit to the second output of the DC voltage source and to the non-inverting input of the second differential a voltage comparator whose inverting input is connected to the limit voltage terminal, and the output is connected to the cathode of the third diode, the anode of which through the fifth resistor, it is connected to the output of the first parallel RC circuit, the connection point of the third and fourth resistors, the non-inverting input of the first differential voltage comparator and the anode of the fourth diode, the cathode of which is connected to the output of the parametric voltage stabilizer, the first output of the sixth resistor and the anode of the fifth diode, the cathode which is connected to the input of the first parallel RC circuit, the second output of the second secondary winding of the pulse transformer is connected to the anode of the sixth diode, the cathode of which is connected connected to the second terminal of the sixth resistor and through the second capacitor to the second terminal of the DC voltage source, which is connected through the third capacitor to the cathode of the second diode, the key is made on a logic element NOT, the input of which is the input of the key, and the output is connected to the gate of the switching MOSFET a transistor with an n-channel, the drain of which is the first output of the key, and the source is the second output of the key.