RU2838912C1 - Multichannel pulse power supply source - Google Patents
Multichannel pulse power supply source Download PDFInfo
- Publication number
- RU2838912C1 RU2838912C1 RU2024125739A RU2024125739A RU2838912C1 RU 2838912 C1 RU2838912 C1 RU 2838912C1 RU 2024125739 A RU2024125739 A RU 2024125739A RU 2024125739 A RU2024125739 A RU 2024125739A RU 2838912 C1 RU2838912 C1 RU 2838912C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- line
- output
- multichannel
- voltage
- lines
- Prior art date
Links
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИAREA OF TECHNOLOGY
Изобретение относится к силовой электронике, а именно к импульсным источникам вторичного электропитания, и может использоваться для обеспечения электропитанием микропроцессорных комплектов, микросхем высокой степени интеграции, вычислительных комплексов для авиационной и космической техники.The invention relates to power electronics, namely to pulsed secondary power supply sources, and can be used to provide power to microprocessor assemblies, highly integrated microcircuits, and computing systems for aviation and space technology.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИLEVEL OF TECHNOLOGY
Наиболее часто встречаются три основных решения для построения многоканальных импульсных источников питания.There are three main solutions most commonly encountered for building multi-channel switching power supplies.
1. Решения, основанные на применении независимых преобразователей со схемами стабилизации выходного напряжения и общей синхронизацией частоты преобразования.1. Solutions based on the use of independent converters with output voltage stabilization circuits and general synchronization of the conversion frequency.
Недостатки таких решений заключаются в необходимости использования индивидуальных схем стабилизации и индуктивных компонентов для каждого выходного напряжения (канала электропитания), а также в сложности обеспечения синхронизации частоты преобразования.The disadvantages of such solutions include the need to use individual stabilization circuits and inductive components for each output voltage (power supply channel), as well as the difficulty of ensuring synchronization of the conversion frequency.
2. Решения, основанные на применении многообмоточного трансформатора со схемой стабилизации выходного напряжения основного (самого нагруженного) канала и стабилизацией выходных напряжений остальных каналов с помощью линейных стабилизаторов.2. Solutions based on the use of a multi-winding transformer with a circuit for stabilizing the output voltage of the main (most loaded) channel and stabilizing the output voltages of the remaining channels using linear stabilizers.
Недостатки подобных решений заключаются в следующем:The disadvantages of such solutions are as follows:
- используемый трансформатор является дорогостоящим и сложным в изготовлении;- the transformer used is expensive and difficult to manufacture;
- изменение количества выходных каналов приводит к изменению конструкции трансформатора;- changing the number of output channels leads to a change in the transformer design;
- применение линейных стабилизаторов существенно снижает коэффициент полезного действия (КПД) всего преобразователя.- the use of linear stabilizers significantly reduces the efficiency of the entire converter.
3. Решения, основанные на применении многообмоточного трансформатора со схемами стабилизации выходного напряжения на магнитных усилителях для каждого канала.3. Solutions based on the use of a multi-winding transformer with output voltage stabilization circuits on magnetic amplifiers for each channel.
Недостатки данных решений заключаются в следующем:The disadvantages of these solutions are as follows:
- используемый трансформатор является дорогостоящим и сложным в изготовлении;- the transformer used is expensive and difficult to manufacture;
- изменение количества выходных каналов приводит к изменению конструкции трансформатора;- changing the number of output channels leads to a change in the transformer design;
- использование дополнительных индуктивных компонентов (магнитных усилителей) для каждого канала приводит к увеличению массы и габаритов всего изделия.- the use of additional inductive components (magnetic amplifiers) for each channel leads to an increase in the weight and dimensions of the entire product.
Из уровня техники известен многоканальный импульсный источник электропитания (RU 2115211 С1, опубл. 10.07.1998), содержащий следующее.A multi-channel pulse power supply is known from the prior art (RU 2115211 C1, published 10.07.1998), containing the following.
Однотактный обратноходовой преобразователь напряжения 1 (использована нумерация элементов из описания аналога), второй вывод первичной обмотки 2 силового трансформатора 3 которого через силовой транзистор 4 соединен с входным выводом 5, соединенным с общей шиной, а первый ее вывод через защитный элемент 6 соединен с входным выводом 7. Вторичные обмотки 8 и 11 подключенные через выпрямительные диоды 9 и 12 к сглаживающим конденсаторам 10 фильтров выходных каналов положительной полярности и к сглаживающим конденсаторам 13 фильтров выходных каналов отрицательной полярности соответственно.Single-stroke flyback voltage converter 1 (element numbering from the description of the analog is used) , the second terminal of the primary winding 2 of the power transformer 3 of which is connected via a power transistor 4 to the input terminal 5 connected to the common bus, and its first terminal is connected via a protective element 6 to the input terminal 7. Secondary windings 8 and 11 are connected via rectifier diodes 9 and 12 to smoothing capacitors 10 of the positive polarity output channel filters and to smoothing capacitors 13 of the negative polarity output channel filters, respectively.
Измерительную обмотку 14, первым выводом соединенную с общей шиной и подключенную через первый диод 15 к конденсатору 16 измерительного канала, подключенного к первому входу узла сравнения 17, вторым выводом измерительная обмотка 14 через первый диод 15 соединена с выводами питания узла сравнения 17 и компаратора 20, соответственно.The measuring winding 14, with its first terminal connected to the common bus and connected through the first diode 15 to the capacitor 16 of the measuring channel, connected to the first input of the comparison unit 17, with its second terminal the measuring winding 14 through the first diode 15 is connected to the power terminals of the comparison unit 17 and the comparator 20, respectively.
Первую дополнительную обмотку 21, вторым выводом соединенную с общей шиной и подключенную через второй диод 22 с обратным включением к первому конденсатору 23, первым выводом первая дополнительная обмотка 21 через второй диод 22 соединена с выводом питания источника 25 опорного напряжения и с выводами питания компаратора 20 и узла сравнения 17, который подключен к выходу источника 25 опорного напряжения отрицательной полярности, и к первому опорному входу компаратора 20, вторым инверсным входом подключенного к выходу генератора 28 симметричного треугольного напряжения, к входным выводам 29 и 30 которого подключается источник импульсного напряжения ИУС ВО, вывод 30 соединен с общим выводом одного из выходных каналов разнополярного напряжения, вывод положительной полярности которого соединен с выводом 31 питания генератора 28.The first additional winding 21, with its second terminal connected to the common bus and connected through the second diode 22 with reverse connection to the first capacitor 23, the first terminal of the first additional winding 21 through the second diode 22 is connected to the power terminal of the reference voltage source 25 and to the power terminals of the comparator 20 and the comparison unit 17, which is connected to the output of the reference voltage source 25 of negative polarity, and to the first reference input of the comparator 20, the second inverse input of which is connected to the output of the symmetrical triangular voltage generator 28, to the input terminals 29 and 30 of which the pulse voltage source of the VO IUS is connected, terminal 30 is connected to the common terminal of one of the output channels of heteropolar voltage, the positive polarity terminal of which is connected to the power terminal 31 of the generator 28.
Вторую дополнительную обмотку 32, первым выводом соединенную с общей шиной и подключенную через третий диод 33 ко второму конденсатору 34. Вторым выводом обмотка 32 через третий диод 33 соединена с выводом 35 питания усилителя ошибки 36, входом подключенного к выходу компаратора 20, а выходом - к управляющему переходу силового транзистора 4, также подключенного к выходу блока запуска 37, вывод 38 питания которого соединен с первым выводом первичной обмотки 2 силового трансформатора 3, а вход подключен к выходу компаратора 20.The second additional winding 32, with its first terminal connected to the common bus and connected through the third diode 33 to the second capacitor 34. The second terminal of winding 32 through the third diode 33 is connected to the terminal 35 of the power supply of error amplifier 36, the input of which is connected to the output of comparator 20, and the output is connected to the control transition of power transistor 4, also connected to the output of start-up unit 37, the terminal 38 of the power supply of which is connected to the first terminal of primary winding 2 of power transformer 3, and the input is connected to the output of comparator 20.
К недостаткам данного устройства можно отнести сложную конструкцию силового трансформатора 3 в виду большого числа выходных обмоток и необходимость обеспечения сильной магнитной связи выходных и измерительных обмоток. При этом наиболее стабильным будет напряжение только на выходе канала, подключенного к линиям 30 и 31.The disadvantages of this device include the complex design of the power transformer 3 due to the large number of output windings and the need to ensure strong magnetic coupling of the output and measuring windings. In this case, the most stable voltage will be only at the output of the channel connected to lines 30 and 31.
В качестве наиболее близкого аналога выбран многоканальный импульсный источник электропитания (US 10523106 B2, опубл. 31.12.2019), включающий в себя следующее.The closest analogue selected is a multi-channel pulse power supply (US 10523106 B2, published 12/31/2019), which includes the following.
N коммутационных схем CH1, CH2 … CHN (преобразователи напряжения 800 - здесь и далее при описании прототипа в скобках приведено наименование аналогичных элементов, использованных в настоящем изобретении), контроллер CON (формирователь широтно-импульсной модуляции 500) и логическую схему 10 (D-триггер 503). N коммутационных схем принимают входное напряжение Vin (UIN), которое может быть преобразовано в N выходных напряжений Vo1, Vo2 … VoN (UOUT_1 … UOUT_n) соответственно.N switching circuits CH1, CH2 … CHN (voltage converters 800 - here and further in the description of the prototype the names of similar elements used in the present invention are given in brackets) , a controller CON (pulse-width modulation former 500) and a logic circuit 10 (D-trigger 503) . N switching circuits receive an input voltage Vin ( UIN ), which can be converted into N output voltages Vo1, Vo2 … VoN ( UOUT_1 … UOUT_n ), respectively.
Коммутационная схема CHi (800) содержит переключатель Ki (транзистор VT1 / VT3), подключенный между входным терминалом и узлом переключения SWi, переключатель Di (транзистор VT2 / VT4), подключенный между узлом SWi и опорным заземлением GND, и индуктор Li, подключенный между узлом SWi и выходным конденсатором Coi, который подключен между соответствующим выходным терминалом и опорным заземлением GND.The switching circuit CHi ( 800 ) comprises a switch Ki (transistor VT1/VT3) connected between the input terminal and the switching node SWi, a switch Di (transistor VT2/VT4) connected between the node SWi and the reference ground GND, and an inductor Li connected between the node SWi and the output capacitor Coi, which is connected between the corresponding output terminal and the reference ground GND.
Контроллер CON (500) генерирует N сигналов управления тактами CLK1…CLKN для логической схемы 10 (503, 504) для управления моментом включения каждого переключателя из N схем переключения на основе параметров импульсного источника электропитания 100 и контура обратной связи каждой схемы переключения соответственно (сигналы по линиям UFB1, UFB2, делители напряжений R1R2 и R3R4, усилитель ошибки 600). Контроллер CON (500) содержит схему обнаружения режима 11 (компаратор 400), быстрый системный тактовый генератор 12 (задающий генератор 202), например осциллятор, и схему регулировки тактового генератора 13.The controller CON ( 500 ) generates N clock control signals CLK1 ... CLKN for the logic circuit 10 (503, 504) for controlling the moment of turning on each switch from N switching circuits based on the parameters of the pulse power supply 100 and the feedback loop of each switching circuit, respectively (signals along the lines UFB1, UFB2, voltage dividers R1R2 and R3R4, error amplifier 600) . The controller CON (500) contains a mode detection circuit 11 (comparator 400) , a fast system clock generator 12 (master generator 202) , for example an oscillator, and a clock generator adjustment circuit 13.
Схема обнаружения режима 11 (400) имеет N выходных клемм для подачи N сигналов индикации нагрузки S1, S2 … SN (сигналы CMP1, CMP2, … CMPn) с первым состоянием и вторым состоянием для индикации состояния нагрузки каждой схемы переключения соответственно. Схема 11 (400) содержит N схем обнаружения нагрузки CMP1, CMP2 … CMPN (аналоговые компараторы 403, 404), каждая из которых содержит компаратор. Каждый компаратор имеет первый входной терминал для приема порогового напряжения Vth (UREF), второй входной терминал для приема сигнала обратной связи Vfbi (UFB1, UFB2), указывающего на соответствующее выходное напряжение Voi (UOUT_n), и выходной терминал для вывода сигнала индикации нагрузки Si для индикации состояния нагрузки соответствующей коммутационной цепи путем сравнения сигнала обратной связи Vfbi (UFB1, UFB2) с пороговым напряжением Vth (UREF). Когда все N коммутационных цепей находятся под большой нагрузкой, импульсный источник электропитания 100 работает в режиме FULL, а когда любая из N коммутационных цепей находится под малой нагрузкой, то источник электропитания 100 работает в режиме NO-FULL.The mode detection circuit 11 (400) has N output terminals for supplying N load indication signals S1, S2 ... SN (signals CMP1, CMP2, ... CMPn) with a first state and a second state for indicating the load state of each switching circuit, respectively. The circuit 11 (400) comprises N load detection circuits CMP1, CMP2 ... CMPN (analog comparators 403, 404) , each of which comprises a comparator. Each comparator has a first input terminal for receiving a threshold voltage Vth (UREF) , a second input terminal for receiving a feedback signal Vfbi (UFB1, UFB2) indicating a corresponding output voltage Voi (UOUT_n) , and an output terminal for outputting a load indication signal Si for indicating the load state of the corresponding switching circuit by comparing the feedback signal Vfbi (UFB1, UFB2) with the threshold voltage Vth (UREF) . When all N switching circuits are under heavy load, the switching power supply 100 operates in the FULL mode, and when any of the N switching circuits is under light load, the switching power supply 100 operates in the NO-FULL mode.
Схема регулировки тактового генератора 13 генерирует N сигналов управления тактовыми сигналами CLK1, CLK2 … CLKN для управления моментами включения N переключателей K1, K2 … KN (VT1, VT3) на основе сигналов индикации нагрузки S1, S2 … SN (сигналы CMP1, CMP2, … CMPn) и быстрых системных часов CLK соответственно. Схема регулировки тактового генератора 13 содержит N триггеров Tg1, Tg2 … TgN (D-триггеры 503, 504), и каждый триггер Tgi имеет первый входной терминал, соединенный с быстрым системный тактовый генератор 12 для приема тактовых сигналов CLK, второй входной терминал, настроенный на прием соответствующего сигнала индикации нагрузки Si, и выходной терминал. Каждый триггер Tgi (503, 504) генерирует сигнал управления тактовыми сигналами CLKi при запуске одного импульса быстрых системных часов CLK на основе одного сигнала индикации нагрузки Si (CMPn).The clock generator control circuit 13 generates N clock signal control signals CLK1, CLK2 ... CLKN for controlling the moments of turning on of N switches K1, K2 ... KN (VT1, VT3) based on the load indication signals S1, S2 ... SN (signals CMP1, CMP2, ... CMPn) and the fast system clock CLK, respectively. The clock generator control circuit 13 comprises N triggers Tg1, Tg2 ... TgN (D-triggers 503, 504) , and each trigger Tgi has a first input terminal connected to the fast system clock generator 12 for receiving clock signals CLK, a second input terminal configured to receive the corresponding load indication signal Si, and an output terminal. Each Tgi flip-flop (503, 504) generates a clock control signal CLKi when triggered by one pulse of the fast system clock CLK based on one load indication signal Si (CMPn) .
Логическая схема 10 (503) содержит N генераторов управляющих сигналов, каждый генератор управляющих сигналов имеет первый входной терминал для приема соответствующего сигнала управления тактами CLKi для управления моментом включения соответствующего переключателя, второй входной терминал для приема сигнала выключения OFFi для управления моментом выключения соответствующего переключателя и выходной терминал для обеспечения сигнала управления переключением PWMi для управления действиями включения и выключения соответствующего переключателя. Каждый генератор управляющих сигналов содержит RS-триггер, имеющий установочный терминал S для приема сигнала управления тактами CLKi, сбросной терминал R для приема сигнала выключения OFFi и выходной терминал Q для вывода сигнала управления переключением PWMi для управления действиями включения и выключения переключателя Ki (VT1, VT3).Logical circuit 10 (503) comprises N control signal generators, each control signal generator has a first input terminal for receiving a corresponding clock control signal CLKi for controlling the moment of turning on the corresponding switch, a second input terminal for receiving a turn-off signal OFFi for controlling the moment of turning off the corresponding switch and an output terminal for providing a switching control signal PWMi for controlling the actions of turning on and off the corresponding switch. Each control signal generator comprises an RS flip-flop having a setting terminal S for receiving a clock control signal CLKi, a reset terminal R for receiving a turn-off signal OFFi and an output terminal Q for outputting a switching control signal PWMi for controlling the actions of turning on and off the switch Ki (VT1, VT3) .
Недостатки прототипа заключаются в следующем:The disadvantages of the prototype are as follows:
- для формирования выходного напряжения на каждой линии требуется самостоятельная коммутационная схема CHi с отдельным индуктором Li и значительным числом других однотипных элементов, что приводит к увеличению габаритов и массы многоканального импульсного источника питания;- to generate the output voltage on each line, an independent switching circuit CHi is required with a separate inductor Li and a significant number of other identical elements, which leads to an increase in the dimensions and weight of the multi-channel pulse power supply;
- отсутствует схема контроля и защиты от тока короткого замыкания в нагрузке для каждой линии для выходного напряжения Vo1, Vo2 … VoN (UOUT_1 … UOUT_n). Так, возникновение короткого замыкания в нагрузке одной из линий схем CH1…CHN (800) приведёт к пропаданию выходных напряжений на всех выходных линиях схем СН (800);- there is no short-circuit current control and protection circuit in the load for each line for the output voltage Vo1, Vo2 … VoN (UOUT_1 … UOUT_n) . Thus, the occurrence of a short circuit in the load of one of the lines of the CH1 … CHN (800) circuits will lead to the loss of output voltages on all output lines of the CH (800) circuits;
- отсутствуют сигналы управления (сигналы DNPWMi) переключателями Di (синхронными выпрямителями - транзисторами VT2, VT4), что не позволяет реализовать источники электропитания с низкими выходными напряжениями и большими выходными токами (от 5 А и выше);- there are no control signals (DNPWMi signals) for the Di switches (synchronous rectifiers - transistors VT2, VT4), which does not allow the implementation of power supplies with low output voltages and high output currents (from 5 A and above);
- для каждой линии для выходного напряжения требуется отдельный индуктивный компонент L1…LN, что приводит к увеличению габаритов и стоимости изделия.- each line for output voltage requires a separate inductive component L1 … LN, which leads to an increase in the dimensions and cost of the product.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯDISCLOSURE OF THE ESSENCE OF THE INVENTION
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании многоканального импульсного источника электропитания микросхем и микропроцессорных комплектов, лишенного недостатков известных аналогов и прототипа и обладающего расширенными эксплуатационно-функциональными возможностями и небольшими габаритами.The problem that the invention is aimed at solving is the creation of a multi-channel pulse power supply for microcircuits and microprocessor kits, devoid of the shortcomings of known analogues and prototypes and possessing expanded operational and functional capabilities and small dimensions.
Техническим результатом изобретения является обеспечение технологичности многоканального импульсного источника электропитания в части более эффективного производства за счет снижения трудозатрат на изготовление изделия и лучших эксплуатационных характеристик за счет уменьшения размеров и массы изделия, упрощения синхронизации частоты преобразования для всех выходных каналов, возможности создания одного источника электропитания с множеством выходных каналов. The technical result of the invention is to ensure the manufacturability of a multi-channel pulse power supply in terms of more efficient production due to a reduction in labor costs for manufacturing the product and better operational characteristics due to a reduction in the size and weight of the product, simplification of synchronization of the conversion frequency for all output channels, and the possibility of creating a single power supply with multiple output channels.
Для достижения указанного результата предлагается многоканальный импульсный источник электропитания, содержащий блок задающего генератора, с которым связан по меньшей мере один блок формирования выходных напряжений (БФВН), включающий каскадно-соединенные следующие элементы:To achieve the specified result, a multi-channel pulse power supply is proposed, containing a master oscillator unit, with which at least one output voltage generation unit (OVGU) is connected, including the following cascade-connected elements:
- многоканальный усилитель ошибки (600), содержащий первый и второй усилители ошибки (601, 602),- a multi-channel error amplifier (600) comprising first and second error amplifiers (601, 602),
- многоканальный компаратор (400),- multichannel comparator (400),
- многоканальный формирователь широтно-импульсной модуляции (ШИМ) (500), содержащий первый и второй D-триггеры (503, 504),- a multi-channel pulse-width modulation (PWM) generator (500) containing the first and second D-triggers (503, 504),
- многоканальный драйвер (700), содержащий первую пару линий задержки (701, 702), соединенных с первым D-триггером (503), вторую пару линий задержки (703, 704), соединенных со вторым D-триггером (504), а также первую пару усилительных каскадов (705, 707), соединенных с первой парой линий задержки (701, 702) соответственно, и вторую пару усилительных каскадов (706, 708), соединенных со второй парой линий задержки (703, 704) соответственно,- a multi-channel driver (700) comprising a first pair of delay lines (701, 702) connected to a first D-trigger (503), a second pair of delay lines (703, 704) connected to a second D-trigger (504), as well as a first pair of amplification stages (705, 707) connected to the first pair of delay lines (701, 702), respectively, and a second pair of amplification stages (706, 708), connected to the second pair of delay lines (703, 704), respectively,
- преобразователь напряжения (800), содержащий выполненные на общем Ш-образном сердечнике первый независимый трансформатор с транзисторами первичной (VT1) и вторичной (VT2) обмоток и второй независимый трансформатор с транзисторами первичной (VT3) и вторичной (VT4) обмоток, а также содержащий первый (803) и второй (804) фильтры низких частот, первый (R1R2) и второй (R3R4) делители напряжений, причем- a voltage converter (800) comprising a first independent transformer with transistors of the primary (VT1) and secondary (VT2) windings, and a second independent transformer with transistors of the primary (VT3) and secondary (VT4) windings, made on a common E-shaped core, and also comprising first (803) and second (804) low-pass filters, first (R1R2) and second (R3R4) voltage dividers, wherein
транзисторы первичной (VT1) и вторичной (VT2) обмоток первого трансформатора соединены с первой парой усилительных каскадов (705, 707) соответственно, а транзисторы первичной (VT3) и вторичной (VT4) обмоток второго трансформатора соединены со второй парой усилительных каскадов (706, 708) соответственно,the transistors of the primary (VT1) and secondary (VT2) windings of the first transformer are connected to the first pair of amplifying stages (705, 707), respectively, and the transistors of the primary (VT3) and secondary (VT4) windings of the second transformer are connected to the second pair of amplifying stages (706, 708), respectively,
первый и второй фильтры низких частот (803, 804) связывают вторичные обмотки первого и второго трансформаторов с первой и второй линиями для выходных напряжений соответственно,the first and second low-pass filters (803, 804) connect the secondary windings of the first and second transformers to the first and second lines for output voltages, respectively,
а первый (R1R2) и второй (R3R4) делители напряжений связывает первую и вторую линии для выходных напряжений с первым (601) и вторым (602) усилителями ошибки соответственно.and the first (R1R2) and second (R3R4) voltage dividers connect the first and second lines for output voltages with the first (601) and second (602) error amplifiers, respectively.
За счет использования по одному общему сердечнику для формирования стабилизированных независимых выходных напряжений на каждых двух линиях удается сократить габариты и массу изделия, что улучшает его эксплуатационные характеристики. Также профиль Ш-образного сердечника позволяет снизить трудозатраты на производстве, так как трансформатор с данным сердечником может быть интегрирован в общую печатную плату или быть изготовленным в виде отдельной печатной платы без применения специализированного намоточного оборудования. By using one common core to generate stabilized independent output voltages on each two lines, it is possible to reduce the dimensions and weight of the product, which improves its performance characteristics. Also, the profile of the Ш-shaped core allows to reduce labor costs in production, since a transformer with this core can be integrated into a common printed circuit board or be manufactured as a separate printed circuit board without the use of specialized winding equipment.
Предпочтительно источник электропитания содержит две линии для входных напряжений и линейный стабилизатор (300), Preferably, the power supply comprises two lines for input voltages and a linear stabilizer (300),
при этом первая линия соединена с преобразователем напряжения (800) по меньшей мере одного БФВН, wherein the first line is connected to a voltage converter (800) of at least one BFVN,
а вторая линия соединена с многоканальным драйвером (700) по меньшей мере одного указанного БФВН, а также посредством линейного стабилизатора (300) с блоком задающего генератора и с остальными элементами по меньшей мере одного указанного БФВН.and the second line is connected to a multi-channel driver (700) of at least one of the said BFVN, as well as via a linear stabilizer (300) to a master oscillator unit and to the remaining elements of at least one of the said BFVN.
Данное выполнение устройства позволяет обеспечить лучшие эксплуатационные характеристики за счет возможности расширить диапазон применяемых напряжений на первой линии (UIN), предназначенной для преобразователя напряжения (800), а именно его схем контроля тока (801, 802) и трансформаторов.This design of the device allows for better performance characteristics due to the possibility of expanding the range of applied voltages on the first line (UIN), intended for the voltage converter (800), namely its current control circuits (801, 802) and transformers.
Предпочтительно блок задающего генератора содержит три линии для выходных сигналов (UREF, RAMP и CLK), предназначенных для по меньшей мере одного БФВН, причем Preferably, the master oscillator block comprises three lines for output signals (UREF, RAMP and CLK) intended for at least one BFVN, wherein
первый сигнал (UREF) предназначен для формирования опорного напряжения многоканального усилителя ошибки (600), the first signal (UREF) is intended to form the reference voltage of the multichannel error amplifier (600),
второй сигнал (RAMP) предназначен для формирования пилообразного напряжения для входа многоканального компаратора (400), а the second signal (RAMP) is intended to generate a sawtooth voltage for the input of the multichannel comparator (400), and
третий сигнал (CLK) предназначен для тактирования многоканального формирователя ШИМ (500).The third signal (CLK) is intended for clocking the multi-channel PWM generator (500).
Применение единой схемы формирования импульсов блока задающего генератора упрощает синхронизацию частоты преобразования для всех каналов, что улучшает эксплуатационные характеристики изделия, а также упрощает его изготовление за счет обеспечения возможности увеличения числа линий для выходных напряжений с помощью однотипных схемотехнических блоков.The use of a single pulse generation circuit for the master oscillator block simplifies the synchronization of the conversion frequency for all channels, which improves the operational characteristics of the product, and also simplifies its manufacture by providing the ability to increase the number of lines for output voltages using identical circuit blocks.
Предпочтительно блок задающего генератора включает задающий генератор (202), компаратор (204), соединенный с ними коммутатор импульсов (201), пиковый детектор (203), соединенный с компаратором (204) и с коммутатором импульсов (201), а также источник опорного напряжения (100), соединенный с коммутатором импульсов (201), причемPreferably, the master oscillator unit includes a master oscillator (202), a comparator (204), a pulse switch (201) connected thereto, a peak detector (203) connected to the comparator (204) and to the pulse switch (201), and also a reference voltage source (100) connected to the pulse switch (201), wherein
источник опорного напряжения (100) линией для выходного сигнала соединен с многоканальным усилителем ошибки (600) по меньшей мере одного БФВН,the reference voltage source (100) is connected by an output signal line to a multichannel error amplifier (600) of at least one BFVN,
пиковый детектор (203) линией для выходного сигнала соединен с многоканальным компаратором (400) по меньшей мере одного БФВН,the peak detector (203) is connected by an output signal line to a multichannel comparator (400) of at least one BFVN,
задающий генератор (202) линией для выходного сигнала соединен с многоканальным формирователем ШИМ (500) по меньшей мере одного БФВН.the master oscillator (202) is connected by an output signal line to a multi-channel PWM generator (500) of at least one BFVN.
Описанная конструкция блока задающего генератора позволяет обеспечить работу нескольких БФВН и сформировать выходные напряжения на удвоенном количестве линий с применением минимального количества компонентов, что обеспечивает технологичность источника электропитания. Кроме того, пиковый детектор (203) формирует пилообразное напряжение (RAMP) для многоканального компаратора (400), что позволяет использовать доступные компоненты для построения контура обратной связи, состоящего из компаратора (400), усилителя ошибки (600) и содержащихся в преобразователе напряжения (800) делителей напряжений (R1R2 и R3R4).The described design of the master oscillator unit allows for the operation of several BFVNs and the generation of output voltages on a doubled number of lines using a minimum number of components, which ensures the manufacturability of the power supply. In addition, the peak detector (203) generates a sawtooth voltage (RAMP) for the multichannel comparator (400), which allows the use of available components for constructing a feedback loop consisting of a comparator (400), an error amplifier (600), and voltage dividers (R1R2 and R3R4) contained in the voltage converter (800).
Предпочтительно Preferably
- многоканальный компаратор (400) содержит первый и второй аналоговые буферные повторители (401, 402), соединенные с линией для выходного сигнала пикового детектора (203), и первый и второй аналоговые компараторы (403, 404), соединенные с первым и вторым буферными повторителями (401, 402) соответственно,- the multichannel comparator (400) comprises first and second analog buffer repeaters (401, 402) connected to the line for the output signal of the peak detector (203), and first and second analog comparators (403, 404) connected to the first and second buffer repeaters (401, 402), respectively,
- многоканальный формирователь ШИМ (500) содержит первый и второй цифровые буферные повторители (501, 502), соединенные с линией для выходного сигнала задающего генератора (202), при этом первый и второй D-триггеры (503, 504) соединены с первым и вторым буферными повторителями (501, 502) соответственно, a также с первым и вторым аналоговыми компараторами (403, 404) соответственно,- the multichannel PWM generator (500) comprises first and second digital buffer repeaters (501, 502) connected to the line for the output signal of the master oscillator (202), wherein the first and second D-triggers (503, 504) are connected to the first and second buffer repeaters (501, 502), respectively, as well as to the first and second analog comparators (403, 404), respectively,
- первый и второй усилители ошибки (601, 602) многоканального усилителя ошибки (600) соединены с линией для выходного сигнала источника опорного напряжения (100).- the first and second error amplifiers (601, 602) of the multichannel error amplifier (600) are connected to the line for the output signal of the reference voltage source (100).
Данная конфигурация в лучшей степени обеспечивает работу изобретения, а также обеспечивает возможность построения источников электропитания с синхронным выпрямителем (транзистором VT2 / VT4), что позволяет гарантировать стабилизацию выходного напряжения со значением 1 В и ниже и выходными токами более 10 А с обеспечением низких потерь по сравнению с выпрямителем на диодах, что снижает тепловыделение устройства, повышает коэффициент его полезного действия, так как позволяет уменьшить общую массу и габариты изделия за счёт уменьшения массы и габаритов радиатора (теплоотвода), что в свою очередь улучшает эксплуатационные возможности и обеспечивает технологичность изделия. This configuration ensures the operation of the invention to the best extent, and also provides the possibility of constructing power supplies with a synchronous rectifier (transistor VT2 / VT4), which allows to guarantee the stabilization of the output voltage with a value of 1 V and below and output currents of more than 10 A with low losses compared to a rectifier on diodes, which reduces the heat generation of the device, increases its efficiency, since it allows to reduce the overall weight and dimensions of the product by reducing the weight and dimensions of the radiator (heat sink), which in turn improves the operational capabilities and ensures the manufacturability of the product.
Предпочтительно формирователь ШИМ (500) содержит связанные с первым и вторым D-триггерами (503) и (504) соответственно первый и второй RS-триггеры (506) и (505) и связанные с ними соответственно первый и второй компараторы (508) и (507), Preferably, the PWM generator (500) comprises first and second RS triggers (506) and (505), respectively, connected to the first and second D-triggers (503) and (504), and first and second comparators (508) and (507), respectively, connected to them,
а преобразователь напряжения (800) содержит первую и вторую схемы контроля тока (801) и (802), связанные с первым и вторым компараторами (508) и (507) соответственно.and the voltage converter (800) comprises first and second current control circuits (801) and (802) connected to the first and second comparators (508) and (507), respectively.
Указанное наилучшим образом обеспечивает работу изделия при возникновении тока короткого замыкания, что улучшает его эксплуатационные характеристики, так как возникновение короткого замыкания на одной из линий для выходных напряжений не приводит к пропаданию выходных напряжений на остальных линиях, что позволяет надежно обеспечивать электропитанием потребителей.The above provides the best possible operation of the product when a short-circuit current occurs, which improves its performance characteristics, since the occurrence of a short circuit on one of the output voltage lines does not lead to the loss of output voltage on the remaining lines, which allows for reliable power supply to consumers.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS
Изобретение поясняется с помощью фиг.1-5.The invention is explained with the help of Figs. 1-5.
На фиг.1 показана схема многоканального импульсного источника электропитания.Fig. 1 shows a diagram of a multi-channel pulse power supply.
На фиг.2 показана схема блока задающего генератора.Fig. 2 shows the diagram of the master oscillator block.
На фиг.3 показана схема блока формирования выходных напряжений.Fig. 3 shows the diagram of the output voltage generation unit.
На фиг.4 показана диаграмма процесса формирования широтно-импульсной модуляции.Fig. 4 shows a diagram of the pulse width modulation formation process.
На фиг.5 показана диаграмма процесса формирования сигналов управления транзисторами VT1 … VT4.Fig. 5 shows a diagram of the process of generating control signals for transistors VT1 … VT4.
На фиг.6а и 6б схематично показано пространственное расположение обмоток двух независимых трансформаторов на общем Ш-образном сердечнике.Fig. 6a and 6b schematically show the spatial arrangement of the windings of two independent transformers on a common Ш-shaped core.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯIMPLEMENTATION OF THE INVENTION
Фиг.1-6 поясняют наиболее предпочтительный пример осуществления изобретения. Специалисту в данной области техники будут понятны иные возможные варианты осуществления изобретения по аналогии с представленным в настоящем описании предпочтительным примером.Fig. 1-6 illustrate the most preferred embodiment of the invention. A person skilled in the art will understand other possible embodiments of the invention by analogy with the preferred example presented in the present description.
Структурная схема многоканального импульсного источника электропитания с возможностью масштабирования (далее - устройство или изделие) представлена на фиг.1.The structural diagram of a multi-channel pulse power supply with scalability (hereinafter referred to as a device or product) is presented in Fig.1.
Устройство содержит блок задающего генератора (БЗГ) и один или нескольких связанных с ним блоков формирования выходных напряжений (БФВН_1 … БФВН_n). Каждый БФВН включает многоканальный компаратор 400, многоканальный формирователь широтно-импульсной модуляции (ШИМ) 500, многоканальный усилитель ошибки 600, многоканальный драйвер 700 и преобразователь напряжения 800, содержащий два независимых трансформатора, выполненных на общем Ш-образном сердечнике и соединенных с двумя линиями для выходных напряжений UOUT1 и UOUT2 соответственно, то есть преобразователь напряжения 800 является преобразователем с интегрированным магнитным элементом.The device comprises a master oscillator unit (MOU) and one or more output voltage generation units ( OVG_1 ... OVG_n) connected thereto. Each OVG includes a multichannel comparator 400, a multichannel pulse-width modulation (PWM) generator 500, a multichannel error amplifier 600, a multichannel driver 700 and a voltage converter 800 containing two independent transformers made on a common E-shaped core and connected to two lines for output voltages UOUT1 and UOUT2 , respectively, i.e. the voltage converter 800 is a converter with an integrated magnetic element.
Количество БФВН определяется затуханием сигналов RAMP, предназначенного для формирования пилообразного напряжения на входе многоканального компаратора 400, и сигналом CLK, предназначенного для тактирования многоканального формирователя ШИМ 500, и должно быть кратным двум. Порядок выбора количества БФВН будет показан на этапе описания данного блока.The number of BFVN is determined by the attenuation of signalsRAMP,designed to generate sawtooth voltage at the input of the multichannel comparator 400,and the CLK signal,intended for clocking the multichannel PWM generator 500, and must be a multiple of two. The procedure for selecting the number of BFVN will be shown at the stage of describing this block.
В предпочтительном варианте БЗГ (фиг.2) содержит следующие элементы: задающий генератор 202, компаратор 204, коммутатор импульсов 201, пиковый детектор 203 и источник опорного напряжения 100.In a preferred embodiment, the BZG (Fig. 2) contains the following elements: a master oscillator 202, a comparator 204, a pulse switch 201, a peak detector 203, and a reference voltage source 100.
Задающий генератор 202 имеет линию для выходного сигнала CLK, предназначенного для тактирования многоканального формирователя ШИМ 500 по меньшей мере одного БФВН, а также соединен с коммутатором импульсов 201 другой линией сигнала CLK для передачи последовательности прямоугольных импульсов.The master oscillator 202 has a line for the output signal CLK , intended for clocking the multi-channel PWM generator 500 of at least one BFVN, and is also connected to the pulse switch 201 by another line of the CLK signal for transmitting a sequence of rectangular pulses.
Коммутатор импульсов 201 соединен с пиковым детектором 203 линией сигнала K_CLK, предназначенного для передачи пакетов прямоугольных импульсов.The pulse switch 201 is connected to the peak detector 203 by the K_CLK signal line, intended for transmitting packets of rectangular pulses.
Компаратор 204 соединен с коммутатором импульсов 201 и пиковым детектором 203 линиями сигнала RST, представляющего собой сигнал с уровнем логический «0» для перевода пикового детектора 203 в исходное состояние перед началом нового цикла формирования сигнала RAMP.Comparator 204 is connected to pulse switch 201 and peak detector 203 by RST signal lines, which is a signal with a logic level of “0” for transferring peak detector 203 to its initial state before the start of a new cycle of generating RAMP signal.
Пиковый детектор 203 имеет линию для выходного сигнала RAMP, предназначенного для формирования пилообразного напряжения для входа многоканального компаратора 400 по меньшей мере одного БФВН, а также соединен с компаратором 204 линией сигнала FB, предназначенного для передачи ему уровня сигнала RAMP.The peak detector 203 has a line for the output signal RAMP , intended for forming a sawtooth voltage for the input of the multichannel comparator 400 of at least one BFVN, and is also connected to the comparator 204 by the signal line FB, intended for transmitting the level of the RAMP signal to it.
Источник опорного напряжения 100 имеет линию для выходного сигнала UREF, предназначенного для формирования опорного напряжения многоканального усилителя ошибки 600 по меньшей мере одного БФВН, а также соединен с коммутатором импульсов 201. Источник опорного напряжения 100 может быть выполнен на основе готовой интегральной схемы.The reference voltage source 100 has a line for the output signal UREF, intended for forming the reference voltage of the multichannel error amplifier 600 of at least one BFVN, and is also connected to the pulse switch 201. The reference voltage source 100 can be made on the basis of a ready-made integrated circuit.
В предпочтительном варианте электропитание устройства осуществляется со стороны внешней сети электропитания по двум линиям входных напряжений UIN и UDRV, при это устройство содержит линейный стабилизатор 300.In the preferred embodiment, the power supply of the device is carried out from the external power supply network via two input voltage lines UIN and UDRV , while the device contains a linear stabilizer 300.
Первая линия UIN предназначена для обеспечения работы преобразователя напряжения 800, обеспечивающего формирование выходных напряжений по двум линиям для выходных напряжений UOUT_1 и UOUT_2. Если используется несколько преобразователей напряжения 800, то все они запитываются от первой линии UIN.The first line UIN is intended to ensure the operation of the voltage converter 800, which provides the formation of output voltages on two lines for output voltages UOUT_1 and UOUT_2. If several voltage converters 800 are used, then all of them are powered from the first line UIN.
Вторая линия UDRV подключена к линейному стабилизатору 300 и предназначена для обеспечения электропитанием схем управления БЗГ и каждого используемого БФВН_1 … БФВН_n. Входное напряжение UDRV поступает на вход линейного стабилизатора 300, в качестве которого можно использовать готовый стабилизатор на основе известной интегральной микросхемы. На выходе из линейного стабилизатора 300 формируется напряжение UDIG, обеспечивающее электропитание БЗГ, включающего источник опорного напряжения 100 и задающий генератор 200. От напряжения UDIG обеспечивается электропитание следующих элементов каждого используемого в устройстве БФВН: компаратора 400, формирователя ШИМ 500 и усилителя ошибки 600. От входного напряжения UDRV осуществляется электропитание драйвера 700 блоков БФВН_1 … БФВН_n.Second lineUDRVconnected to linear stabilizer 300 and is designed to provide power supply to the control circuits of the BZG and each used BFVN_1…BFVN_n. Input voltage UDRV is supplied to the inputlinear stabilizer 300, which can be a ready-made stabilizer based on a known integrated circuit. At the output of the linear stabilizer 300, a voltage is formedUDIG, providing power supplyBZG, including a reference voltage source 100 And master oscillator 200. The UDIG voltage provides power supply to the following elements of each BFVN used in the device:comparator 400,PWM generator 500 and error amplifier 600. The input voltage of the UDRV provides power supply.drivers 700BFVN_1 blocks…BFVN_n.
Возможен иной вариант, в котором устройство содержит одну линию для входного напряжения, первый линейный стабилизатор 300, формирующий напряжение питания цифровой части UDIG и второй линейный стабилизатор (на фиг. данный вариант не показан), формирующий напряжение питания драйвера UDRV, при этом линия соединена с каждым преобразователем напряжения 800 напрямую, с драйвером 700 каждого БФВН соединена посредством второго линейного стабилизатора, а с блоком задающего генератора, а также с компаратором 400, формирователем ШИМ 500 и с усилителем ошибки 600 каждого БФВН линия соединена посредством первого линейного стабилизатора 300.Another variant is possible, in which the device contains one line for the input voltage, the first linear stabilizer 300, forming the supply voltage of the digital part UDIG and the second linear stabilizer (this variant is not shown in the Fig.), forming the supply voltage of the driver UDRV, wherein the line is connected to each voltage converter 800 directly, to the driver 700 of each BFVN is connected by means of the second linear stabilizer, and to the master oscillator unit, as well as to the comparator 400, the PWM former 500 and to the error amplifier 600 of each BFVN the line is connected by means of the first linear stabilizer 300.
В предпочтительном варианте в каждом используемом БФВН (фиг.3):In the preferred embodiment, in each used BFVN (Fig. 3):
- многоканальный компаратор 400 содержит первый и второй аналоговые буферные повторители 401, 402, соединенные с линией для выходного сигнала RAMP пикового детектора 203, а также первый и второй аналоговые компараторы 403, 404, соединенные с первым и вторым буферными повторителями 401, 402 соответственно. На выходе из первого и второго аналоговых компараторов 403, 404 сформированы линии передачи сигналов CMP1 и CMP2 соответственно, предназначенные для передачи сигналов с уровнем логического «0» или логической «1» на D-триггеры 503, 504. Элементы 401-404 запитываются по линии передачи напряжения UDIG от линейного стабилизатора 300;- the multichannel comparator 400 comprises the first and second analog buffer repeaters 401, 402 connected to the line for the output signal RAMP of the peak detector 203, as well as the first and second analog comparators 403, 404 connected to the first and second buffer repeaters 401, 402, respectively. At the output of the first and second analog comparators 403, 404, signal transmission lines CMP1 and CMP2, respectively, are formed, intended for transmitting signals with a logical "0" or logical "1" level to the D-triggers 503, 504. Elements 401-404 are powered via the voltage transmission line UDIG from the linear stabilizer 300;
- многоканальный формирователь ШИМ 500 содержит первый и второй цифровые буферные повторители 501, 502, соединенные с линией для выходного сигнала CLK задающего генератора 202, и первый и второй D-триггеры 503, 504, соединенные с первым и вторым буферными повторителями 501, 502 соответственно, a также соединенные с первым и вторым аналоговыми компараторами 403, 404 линиями передачи сигналов CMP1 и CMP2 соответственно. На выходе из первого и второго D-триггеров 503, 504 сформированы линии передачи сигналов PWM1, NPWM1 и PWM2, NPWM2 соответственно.- the multichannel PWM generator 500 comprises the first and second digital buffer repeaters 501, 502 connected to the line for the output signal CLK of the master oscillator 202, and the first and second D-triggers 503, 504 connected to the first and second buffer repeaters 501, 502, respectively, and also connected to the first and second analog comparators 403, 404 by the signal transmission lines CMP1 and CMP2, respectively. At the output of the first and second D-triggers 503, 504, the signal transmission lines PWM1, NPWM1 and PWM2, NPWM2, respectively, are formed.
Линии передачи сигналов PWM1, PWM2 предназначены для передачи сигналов ШИМ с логической «1» или логическим «0» от D-триггеров 503, 504 на линии задержки 701, 703 драйвера 700 соответственно. Линии передачи сигналов NPWM1, NPWM2 предназначены для передачи сигналов ШИМ с логической «1» или логическим «0», противофазных сигналам PWM1 и PWM2 соответственно от D-триггеров 503, 504 на линии задержки 702, 704 драйвера 700 соответственно.The PWM1, PWM2 signal transmission lines are intended to transmit PWM signals with logical "1" or logical "0" from D-triggers 503, 504 to delay lines 701, 703 of driver 700, respectively. The NPWM1, NPWM2 signal transmission lines are intended to transmit PWM signals with logical "1" or logical "0", antiphase to the PWM1 and PWM2 signals, respectively, from D-triggers 503, 504 to delay lines 702, 704 of driver 700, respectively.
Элементы 501-504 запитываются по линии передачи напряжения UDIG от линейного стабилизатора 300;Elements 501-504 are powered via the voltage transmission line UDIG from the linear stabilizer 300;
- многоканальный усилитель ошибки 600 содержит первый и второй отдельные усилители ошибки 601, 602, выполненные на основе операционных усилителей общего применения и соединенные с линией для выходного сигнала UREF, предназначенного для формирования опорного напряжения от источника опорного напряжения 100. Также усилители ошибки 601, 602 соединены с линиями для выходных измерительных сигналов UFB1, UFB2 от делителей напряжения R1R2 и R3R4 преобразователя напряжения 800 соответственно. Кроме того, от усилителей ошибки 601, 602 на аналоговые компараторы 403, 404 выходят линии передачи аналоговых сигналов UREG1 и UREG2 соответственно, пропорциональных выходному напряжению UOUT1 и UOUT2. Элементы 601, 602 запитываются по линии передачи напряжения UDIG от линейного стабилизатора 300;- the multichannel error amplifier 600 contains the first and second separate error amplifiers 601, 602, made on the basis of general-purpose operational amplifiers and connected to the line for the output signal UREF , intended for forming the reference voltage from the reference voltage source 100. Also, the error amplifiers 601, 602 are connected to the lines for the output measuring signals UFB1, UFB2 from the voltage dividers R1R2 and R3R4 of the voltage converter 800, respectively. In addition, from the error amplifiers 601, 602 to the analog comparators 403, 404, the transmission lines of analog signals UREG1 and UREG2 , respectively, proportional to the output voltage UOUT1 and UOUT2, go out. Elements 601, 602 are powered via the voltage transmission line UDIG from the linear stabilizer 300;
- многоканальный драйвер 700 содержит первую пару линий задержки 701, 702, соединенных с первым D-триггером 503 линиями передачи сигналов PWM1 и NPWM1 соответственно, вторую пару линий задержки 703, 704, соединенных со вторым D-триггером 504 линиями передачи сигналов PWM2 и NPWM2 соответственно, а также содержит первую пару усилительных каскадов 705, 707, соединенных с первой парой линий задержки 701, 702 соответственно, и вторую пару усилительных каскадов 706, 708, соединенных со второй парой линий задержки 703, 704 соответственно.- the multichannel driver 700 comprises a first pair of delay lines 701, 702 connected to the first D-trigger 503 by signal transmission lines PWM1 and NPWM1 , respectively, a second pair of delay lines 703, 704 connected to the second D-trigger 504 by signal transmission lines PWM2 and NPWM2, respectively, and also comprises a first pair of amplification stages 705, 707 connected to the first pair of delay lines 701, 702, respectively, and a second pair of amplification stages 706, 708 connected to the second pair of delay lines 703, 704, respectively.
Также первая пара усилительных каскадов 705, 707 соединена с линиями для выходных сигналов DPWM1, DNPWM1 соответственно, а вторая пара усилительных каскадов 706, 708 соединена с линиями для выходных сигналов DPWM2, DNPWM2 соответственно. Линии передачи сигналов DPWM1, DPWM2 предназначены для передачи сигналов ШИМ с уровнем, достаточным для надёжной работы транзисторов VT1, VT3 первичных обмоток двух трансформаторов преобразователя напряжения 800. Линии передачи сигналов DNPWM1, DNPWM2 предназначены для передачи сигналов ШИМ, противофазных сигналам DPWM1 и DPWM2 соответственно и уровнем, достаточным для надёжной работы транзисторов VT2, VT4 вторичных обмоток двух трансформаторов преобразователя напряжения 800. Транзисторы VT2, VT4 являются синхронными выпрямителями.Also, the first pair of amplifying stages 705, 707 is connected to the lines for output signals DPWM1, DNPWM1 , respectively, and the second pair of amplifying stages 706, 708 is connected to the lines for output signals DPWM2, DNPWM2 , respectively. The lines for transmitting signals DPWM1, DPWM2 are intended for transmitting PWM signals with a level sufficient for reliable operation of transistors VT1, VT3 of the primary windings of two transformers of voltage converter 800. The lines for transmitting signals DNPWM1, DNPWM2 are intended for transmitting PWM signals that are antiphase to signals DPWM1 and DPWM2, respectively, and with a level sufficient for reliable operation of transistors VT2, VT4 of the secondary windings of two transformers of voltage converter 800. Transistors VT2, VT4 are synchronous rectifiers.
Элементы 705-708 запитываются от второй входной линии передачи напряжения UDRV непосредственно. Элементы 701-704 могут и не требовать питания, так как они могут выполняться на пассивных элементах, но предпочтительно их выполнение на активных компонентах, в этом случае питание осуществляется от линии UDIG (на фиг.3 не показано);Elements 705-708 are fed directly from the second input voltage transmission line UDRV . Elements 701-704 may not require power supply, since they can be implemented on passive elements, but it is preferable to implement them on active components, in which case the power supply is provided from the line UDIG (not shown in Fig. 3);
- преобразователь напряжения 800 содержит транзисторы VT1 и VT2 первичной и вторичной обмоток T1.1 и T2.1 первого трансформатора, соединенные с первой парой усилительных каскадов 705, 707 по линиям передачи сигналов от них DPWM1 и DNPWM1 соответственно, транзисторы VT3 и VT4 первичной и вторичной обмоток T2.1 и T2.2 второго трансформатора, соединенные со второй парой усилительных каскадов 706, 708 по линиям передачи сигналов от них DPWM2 и DNPWM2 соответственно.- voltage converter 800 contains transistors VT1 and VT2 of the primary and secondary windings T1.1 and T2.1 of the first transformer, connected to the first pair of amplifying stages 705, 707 via signal transmission lines from them DPWM1 and DNPWM1, respectively, transistors VT3 and VT4 of the primary and secondary windings T2.1 and T2.2 of the second transformer, connected to the second pair of amplifying stages 706, 708 via signal transmission lines from them DPWM2 and DNPWM2, respectively.
Также преобразователь напряжения 800 содержит первый фильтр низких частот 803, связывающий вторичную обмотку Т1.2 первого трансформатора с первой линией для выходного напряжения UOUT_1, второй фильтр низких частот 804, связывающий вторичную обмотку Т2.2 второго трансформатора со второй линией для выходного напряжения UOUT_2. Предпочтительно фильтры 803, 804 состоят из сглаживающих конденсаторов, однако состав фильтров не принципиален и может видоизменяться в зависимости от задач построения всей системы электропитания.Also, the voltage converter 800 contains the first low-pass filter 803, connecting the secondary winding T1.2 of the first transformer with the first line for the output voltage UOUT_1 , the second low-pass filter 804, connecting the secondary winding T2.2 of the second transformer with the second line for the output voltage UOUT_2 . Preferably, the filters 803, 804 consist of smoothing capacitors, however, the composition of the filters is not fundamental and can be modified depending on the tasks of constructing the entire power supply system.
И преобразователь напряжения 800 содержит первый делитель напряжения R1R2, связывающий первую линию для выходного напряжения UOUT_1 с первым усилителем ошибки 601 по линии передачи выходного измерительного сигнала UFB1, и второй делитель напряжения R3R4, связывающий вторую линию для выходного напряжения UOUT_1 со вторым усилителем ошибки 602 по линии передачи выходного измерительного сигнала UFB2.And the voltage converter 800 comprises a first voltage divider R1R2, connecting the first line for the output voltage UOUT_1 with the first error amplifier 601 via the transmission line of the output measuring signal UFB1 , and a second voltage divider R3R4, connecting the second line for the output voltage UOUT_1 with the second error amplifier 602 via the transmission line of the output measuring signal UFB2 .
Также в предпочтительном варианте в каждом используемом БФВН (фиг.3):Also in the preferred embodiment in each used BFVN (Fig. 3):
- формирователь ШИМ 500 содержит связанные с первым и вторым D-триггерами 503 и 504 соответственно первый и второй RS-триггеры 506 и 505 и связанные с ними соответственно первый и второй компараторы 508 и 507, на которые приходит линия подачи опорного напряжения ULIM, которое может быть сформировано, например, из напряжения на линии UDIG. Напряжение по линии ULIM является входным сигнальным напряжением, с которым сравнивается напряжение по линиям CS1 и CS2.- the PWM generator 500 contains the first and second RS triggers 506 and 505, respectively, connected to the first and second D-triggers 503 and 504, and the first and second comparators 508 and 507, respectively, connected to them, to which the reference voltage supply line ULIM comes, which can be formed, for example, from the voltage on the UDIG line. The voltage on the ULIM line is the input signal voltage, with which the voltage on the CS1 and CS2 lines is compared.
Первый и второй RS-триггеры 506 и 505 способны выдавать по выходным линиям выходные сигналы контроля FAIL2 и FAIL1 соответственно, предназначенные для индикации аварийного отключения соответствующей линии выходного напряжения при перегрузке по току потребления. Также первый и второй RS-триггеры 506 и 505 способны принимать по входным линии входные сигналы управления RFAIL2 и RFAIL1 соответственно, предназначенные для сброса защиты от перегрузки по току для соответствующей линии выходного напряжения.The first and second RS triggers 506 and 505 are capable of issuing output control signals FAIL2 and FAIL1 , respectively, via output lines, intended for indicating an emergency shutdown of the corresponding output voltage line during an overload of the consumption current. Also, the first and second RS triggers 506 and 505 are capable of receiving input control signals RFAIL2 and RFAIL1 , respectively, via input lines, intended for resetting the overcurrent protection for the corresponding output voltage line.
При этом элементы 505-508 запитываются по линии передачи напряжения UDIG от линейного стабилизатора 300;In this case, elements 505-508 are powered via the voltage transmission line UDIG from the linear stabilizer 300;
- преобразователь напряжения 800 содержит первую и вторую схемы контроля тока 801 и 802, связанные с первым и вторым компараторами 508 и 507 линиями передачи выходных сигналов CS1 и CS2 соответственно, с уровнем напряжения, пропорциональным току нагрузки по линиям UOUT1 и UOUT2. Элементы 801 и 802 запитываются от первой входной линии передачи напряжения UIN непосредственно и могут быть выполнены на основе готовых интегральных схем.- voltage converter 800 contains first and second current control circuits 801 and 802, connected to first and second comparators 508 and 507 by output signal transmission lines CS1 and CS2 , respectively, with a voltage level proportional to the load current along lines UOUT1 and UOUT2. Elements 801 and 802 are fed from the first input voltage transmission line UIN directly and can be implemented on the basis of ready-made integrated circuits.
Ниже описан принцип работы устройства. The operating principle of the device is described below .
Внешними сигналами контроля и управления являются:External control and management signals are:
- сигналы контроля FAIL1 … FAILn, предназначенные для индикации аварийного отключения соответствующего выходного напряжения при перегрузке по току потребления;- control signals FAIL1 … FAILn , intended to indicate emergency shutdown of the corresponding output voltage in case of overload of the consumption current;
- сигналы управления RFAIL1 … RFAILn, предназначенные для сброса защиты от перегрузки по току соответствующего выходного напряжения.- control signals RFAIL1 … RFAILn , intended to reset the overcurrent protection of the corresponding output voltage.
БЗГ (фиг. 2) формирует управляющие сигналы UREF, RAMP, CLK, которые являются входными сигналами для каждого используемого БФВН_1…БФВН_n.The BZG (Fig. 2) generates control signals UREF, RAMP, CLK, which are input signals for each used BFVN_1 … BFVN_n.
Задающий генератор 202 формирует последовательность прямоугольных импульсов CLK с частотой следования от 10 МГц до 15 МГц, которая поступает на вход(ы) БФВН_1 … БФВН_n и на вход коммутатора импульсов 201. Коммутатор импульсов 201 формирует пакеты прямоугольных импульсов K_CLK из последовательности прямоугольных импульсов CLK в зависимости от наличия сигнала RST с выхода компаратора 204: если сигнал RST равен логической «1», то импульсы формируются на выходе коммутатора 201, если сигнал RST равен логическому «0», то импульсы отсутствуют на выходе коммутатора 201. Пакеты импульсов K_CLK поступают на вход пикового детектора 203, который таким образом обеспечивает плавное нарастание уровня выходного сигнала RAMP. Значение уровня сигнала RAMP поступает по линии FB на вход компаратора 204. При достижении сигналом RAMP заданного для срабатывания компаратора 204 значения (значение напряжения срабатывания компаратора выбирается примерно равным 2/3 от значения UDIG) на выходе компаратора 204 сигнал RST устанавливается в значение логический «0», запрещая формирование импульсов на выходе K_CLK коммутатора 201 и переводя пиковый детектор 203 в исходное состояние. Таким образом формируется пилообразный сигнал пол линии RAMP (плавное нарастание и резкий спад уровня сигнала). The master oscillator 202 generates a sequence of rectangular pulses CLK with a repetition frequency from 10 MHz to 15 MHz, which is fed to the input(s) of the BFVN_1 … BFVN_n and to the input of the pulse switch 201 . The pulse switch 201 generates packets of rectangular pulses K_CLK from a sequence of rectangular pulses CLK depending on the presence of the RST signal from the output of the comparator 204 : if the RST signal is equal to logical “1”, then the pulses are generated at the output of the switch 201, if the RST signal is equal to logical “0”, then there are no pulses at the output of the switch 201. The packets of pulses K_CLK are fed to the input of the peak detector 203 , which thus ensures a smooth increase in the level of the output signal RAMP . The RAMP signal level value is fed via the FB line to the input of the comparator 204. When the RAMP signal reaches the value specified for the operation of the comparator 204 (the comparator operation voltage value is selected to be approximately equal to 2/3 of the UDIG value), the RST signal at the output of the comparator 204 is set to the logical value "0", prohibiting the formation of pulses at the K_CLK output of the switch 201 and transferring the peak detector 203 to the initial state. In this way, a sawtooth signal is formed on the RAMP line (a smooth increase and a sharp decrease in the signal level).
Источник опорного напряжения 100 формирует стабилизированное напряжение UREF, которое поступает на вход БФВН_1 … БФВН_n.The reference voltage source 100 generates a stabilized voltage UREF , which is fed to the input of BFVN_1 … BFVN_n.
Импульсная последовательность по линии CLK поступает через цифровые буферные повторители 501, 502 на тактовые входы D-триггеров 503, 504 соответственно (фиг.3). При переходе значения сигнала на линии CLK из состояния логического «0» в состояние логической «1» происходит запись на линию PWM1 (PWM2) состояния на линии CMP1 (CMP2). При нормальной работе устройства линия FAIL1 (FAIL2) находится в состоянии логической «1». Сигналам на линиях NPWM1 и NPWM2 присваивается логическое состояние инверсное по отношению к PWM1 и PWM2 соответственно. То есть, если на линии CMP1 (CMP2) сигнал в состоянии логической «1», то при переходе сигнала на линии CLK из состояния «0» в состояние «1» на линии PWM1 (PWM2) формируется логическая «1», а на линии NPWM1 (NPWM2) формируется логический «0». И наоборот, если на линии CMP1 (CMP2) сигнал в состоянии логической «0», то при переходе сигнала на линии CLK из состояния «0» в состояние «1» на линии PWM1 (PWM2) формируется логический «0», а на линии NPWM1 (NPWM2) формируется логическая «1».The pulse sequence along the CLK line comes through digital buffer repeaters 501, 502 to the clock inputs of D-triggers 503, 504, respectively (Fig. 3). When the signal value on the CLK line transitions from the logical "0" state to the logical "1" state, the state on the CMP1 (CMP2) line is written to the PWM1 (PWM2) line . During normal operation of the device, the FAIL1 (FAIL2) line is in the logical "1" state. The signals on the NPWM1 and NPWM2 lines are assigned a logical state inverse to PWM1 and PWM2, respectively. That is, if the signal on the CMP1 (CMP2) line is in the logical "1" state, then when the signal on the CLK line transitions from the "0" state to the "1" state, a logical "1" is formed on the PWM1 (PWM2) line, and a logical "0" is formed on the NPWM1 (NPWM2) line. And vice versa, if the signal on the CMP1 (CMP2) line is in the logical “0” state, then when the signal on the CLK line transitions from the “0” state to the “1” state, a logical “0” is formed on the PWM1 (PWM2) line, and a logical “1” is formed on the NPWM1 (NPWM2) line.
Формирование сигнала на линии CMP1 (CMP2) происходит в следующей последовательности: сигнал по линии RAMP через буферные повторители 401, 402 поступает на инверсный вход аналоговых компараторов 403, 404, на неинверсный вход компараторов 403, 404 поступает сигнал по линии UREG1 и UREG2 соответственно (фиг.3). Так как сигнал на линии RAMP имеет заданный и неизменяющийся в процессе работы устройства наклон, то при изменении уровня напряжения на линиях UREG1 и UREG2 изменяется длительность нахождения выхода компараторов 403, 404 в состоянии логической «1» (выходы компараторов 403, 404 подключены к линиям CMP1 и CMP2 соответственно). Таким образом изменяется ширина импульса на линиях PWM1 (PWM2) и NPWM1 (NPWM2) и осуществляется широтно-импульсная модуляция сигналов на линиях PWM1(PWM2) и NPWM1(NPWM2). Процесс формирования широтно-импульсной модуляции поясняют диаграммы на фиг. 4.The signal on the CMP1 (CMP2) line is generated in the following sequence: the signal on the RAMP line through the buffer repeaters 401, 402 is fed to the inverting input of the analog comparators 403, 404 , the signal on the UREG1 and UREG2 lines, respectively, is fed to the non-inverting input of the comparators 403, 404 (Fig. 3). Since the signal on the RAMP line has a specified slope that does not change during the operation of the device, then when the voltage level on the UREG1 and UREG2 lines changes, the duration of the output of the comparators 403, 404 in the logical "1" state changes (the outputs of the comparators 403, 404 are connected to the CMP1 and CMP2 lines, respectively). In this way, the pulse width on the PWM1 (PWM2) and NPWM1 (NPWM2) lines changes and pulse-width modulation of the signals on the PWM1 (PWM2) and NPWM1 (NPWM2) lines is performed. The process of forming pulse-width modulation is explained by the diagrams in Fig. 4 .
Формирование сигнала на линии UREG1(UREG2) происходит в следующей последовательности:The signal generation on the UREG1(UREG2) line occurs in the following sequence:
- на инверсный вход усилителей ошибки 601, 602 поступает опорное напряжение от источника опорного напряжения 100,- the reference voltage from the reference voltage source 100 is fed to the inverse input of error amplifiers 601, 602 ,
- на неинверсный вход усилителя 601 поступает измерительный сигнал по линии UFB1 от делителя напряжения R1,R2, подключенного к выходному каналу по линии UOUT_1,- the non-inverting input of amplifier 601 receives a measuring signal via line UFB1 from the voltage divider R1, R2, connected to the output channel via line UOUT_1 ,
- на неинверсный вход усилителя 602 поступает измерительный сигнал по линии UFB2 от делителя напряжения R3,R4, подключенного к выходному каналу по линии UOUT_2.- the non-inverting input of amplifier 602 receives a measuring signal via line UFB2 from voltage divider R3,R4 , connected to the output channel via line UOUT_2 .
Усилители ошибки 601, 602 сравнивают сигналы по линиям UFB1 и UFB2 с опорным напряжением на линии UREF и в зависимости от результата сравнения формируют уровень сигнала по линии UREG1(UREG2). Так осуществляется стабилизация напряжения по линиям UOUT_1 и UOUT_2 с помощью широтно-импульсной модуляции сигналов по линии PWM1(PWM2).Error amplifiers 601, 602 compare signals on lines UFB1 and UFB2 with the reference voltage on line UREF and, depending on the comparison result, form the signal level on line UREG1(UREG2). This is how voltage stabilization is performed on lines UOUT_1 and UOUT_2 using pulse-width modulation of signals on line PWM1(PWM2).
Сигналы по линиям PWM1 и NPWM1 поступают на вход линии задержки 701, 702 соответственно. Сигналы по линиям PWM2 и NPWM2 поступают на вход линии задержки 703, 704 соответственно. Применение линий задержки 701-704 связано с обеспечением защиты от возникновения токов короткого замыкания при переключении транзисторов VT1-VT4. Сигналы с выходов линий задержки 701-704 поступают на вход усилительных каскадов 705-708, которые формируют сигналы управления транзисторам VT1-VT4 с заданным уровнем и мощностью по линиям DPWM1, DNPWM1, DPWM2, DNPWM2. Формирование сигналов по линиям DPWM1, DNPWM1, DPWM2, DNPWM2 показано на фиг. 5.The signals along the PWM1 and NPWM1 lines are fed to the input of the delay line 701, 702 , respectively. The signals along the PWM2 and NPWM2 lines are fed to the input of the delay line 703, 704, respectively. The use of the delay lines 701-704 is associated with ensuring protection against the occurrence of short-circuit currents when switching the transistors VT1-VT4 . The signals from the outputs of the delay lines 701-704 are fed to the input of the amplifier stages 705-708 , which form control signals for the transistors VT1-VT4 with a given level and power along the lines DPWM1, DNPWM1, DPWM2, DNPWM2. The formation of signals along the lines DPWM1, DNPWM1, DPWM2, DNPWM2 is shown in Fig. 5 .
Работа преобразователя напряжения 800 рассмотрена на примере формирования выходного напряжения на линии UOUT_1 от первого трансформатора. Для линии UOUT_2 от второго трансформатора описание работы аналогичное. Входное напряжение по линии UIN поступает на вход схемы контроля тока 801, которая обеспечивает работу защиты от токов короткого замыкания, построенную на компараторе 508 и RS-триггере 506. С выхода схемы контроля тока 801 напряжение линии UIN поступает на начало первичной обмотки (на фиг.3 обозначено точкой) Т1.1. При наличии на линии DPWM1 высокого уровня сигнала открывается транзистор первичной обмотки VT1 первого трансформатора и происходит накопление энергии в магнитном поле части сердечника, охваченного первичной и вторичной обмотками T1.1 и Т1.2. При появлении на линии DPWM1 низкого уровня сигнала транзистор VT1 закрывается. Затем на линии DNPWM1 формируется сигнал высокого уровня, транзистор вторичной обмотки VT2 открывается и накопленная энергия магнитного поля сердечника МИК с помощью вторичной обмотки Т1.2 передаётся на линию для выходных напряжений UOUT_1 через фильтр низких частот 803. При этом ток через обмотку Т1.2 протекает от начала обмотки (на фиг.3 обозначено точкой).The operation of the voltage converter 800 is considered using the example of generating the output voltage on the UOUT_1 line from the first transformer. The operation description is similar for the UOUT_2 line from the second transformer. The input voltage along the UIN line is fed to the input of the current monitoring circuit 801 , which ensures the operation of the short-circuit current protection built on the comparator 508 and the RS trigger 506. From the output of the current monitoring circuit 801, the voltage of the UIN line is fed to the beginning of the primary winding (indicated by a dot in Fig. 3) T1.1 . If there is a high signal level on the DPWM1 line, the transistor of the primary winding VT1 of the first transformer opens and energy is accumulated in the magnetic field of the part of the core covered by the primary and secondary windings T1.1 and T1.2. When a low signal level appears on the DPWM1 line, the transistor VT1 closes. Then a high-level signal is formed on the DNPWM1 line, the secondary winding transistor VT2 opens and the accumulated energy of the magnetic field of the MIC core is transmitted to the line for output voltages UOUT_1 via the low-pass filter 803 using the secondary winding T1.2. In this case, the current flows through the winding T1.2 from the beginning of the winding (indicated by a dot in Fig. 3).
Работа преобразователя напряжения 800 при возникновении тока короткого замыкания происходит следующим образом: сигнал от схемы контроля тока 801, пропорциональный протекающему току через первичную обмотку Т1.1 первого трансформатора, по линии CS1 поступает на инверсный вход компаратора 508. На неинверсный вход компаратора 508 подаётся опорное напряжение ULIM, которое может быть сформировано, например, из напряжения на линии UDIG. Компаратор 508 сравнивает напряжения на линиях CS1 и ULIM, и если напряжение на линии CS1 превышает значение на линии ULIM, то компаратор 508 переводит выход RS-триггера 506 на линии FAIL1 в состояние логического «0» (в нормальном режиме работы преобразователя напряжения 800 на линии FAIL1 состояние логической «1»). Сигнал по линии FAIL1 поступает на внешнюю линию и на вход (R) D-триггера 503, в результате чего на линии PWM1 формируется логический «0» и транзистор VT1 находится в закрытом состоянии и преобразователь напряжения 800 останавливается (не происходит накопление энергии в магнитном поле сердечника). Перевод преобразователя 800 в режим работы происходит путём подачи логического «0» по внешней линии R_FAIL1 (в нормальном режиме работы преобразователя напряжения 800 на линии R_FAIL1 должна быть логическая «1»).The operation of the voltage converter 800 upon occurrence of a short-circuit current occurs as follows: the signal from the current control circuit 801, proportional to the current flowing through the primary winding T1.1 of the first transformer, is fed via the CS1 line to the inverting input of the comparator 508. The reference voltage ULIM is fed to the non-inverting input of the comparator 508, which can be formed, for example, from the voltage on the UDIG line. The comparator 508 compares the voltages on the CS1 and ULIM lines, and if the voltage on the CS1 line exceeds the value on the ULIM line, then the comparator 508 switches the output of the RS trigger 506 on the FAIL1 line to the logical "0" state (in the normal operating mode of the voltage converter 800, the logical "1" state on the FAIL1 line ). The signal via the FAIL1 line is sent to the external line and to the input (R) of the D-trigger 503 , as a result of which a logical "0" is formed on the PWM1 line and the VT1 transistor is in the closed state and the voltage converter 800 stops (energy is not accumulated in the magnetic field of the core). The converter 800 is transferred to the operating mode by supplying a logical "0" via the external R_FAIL1 line (in the normal operating mode of the voltage converter 800, there should be a logical "1" on the R_FAIL1 line).
Основным элементом преобразователя напряжения 800 является интегрированный магнитный элемент. Пространственное расположение обмоток на сердечнике схематично показано на фиг. 6а-6в. Принцип работы магнитно-связанного компонента основан на особенности конструкции общего Ш-образного сердечника - площадь сечения каждого из боковых кернов равна половине площади сечения центрального керна. Данная особенность используется следующим образом: так как токи в обмотках первого трансформатора Т1.1(Т1.2) и второго трансформатора Т2.1(Т2.2) протекают во встречных направлениях (принятое направление от начала обмотки к концу обмотки), то в центральном керне магнитные потоки обмоток Т1.1(Т1.2) и Т2.1(Т2.2) направлены навстречу друг (правило буравчика) и не оказывают взаимного влияния. Таким образом получаются два независимых трансформатора.The main element of the voltage converter 800 is an integrated magnetic element. The spatial arrangement of the windings on the core is schematically shown in Fig. 6a-6c . The operating principle of the magnetically coupled component is based on the design feature of the common Ш-shaped core - the cross-sectional area of each of the side cores is equal to half the cross-sectional area of the central core. This feature is used as follows: since the currents in the windings of the first transformer T1.1 (T1.2) and the second transformer T2.1 (T2.2) flow in opposite directions (the accepted direction is from the beginning of the winding to the end of the winding), then in the central core the magnetic fluxes of the windings T1.1 (T1.2) and T2.1 (T2.2) are directed towards each other (corkscrew rule) and do not exert mutual influence. Thus, two independent transformers are obtained.
Из вышеприведенного описания специалисту в данной области техники будет понятно, что изобретение реализуется известными методами и с помощью известных средств.From the above description, it will be clear to a person skilled in the art that the invention is implemented using known methods and known means.
Применение описанного преобразователя напряжения 800 позволяет сократить количество используемых сердечников и сократить площадь, занимаемую трансформаторами, соответственно уменьшить размеры и массу устройства.The use of the described voltage converter 800 allows to reduce the number of cores used and to reduce the area occupied by transformers, and accordingly to reduce the size and weight of the device.
Применение открытой архитектуры построения схемы управления позволяет увеличивать количество выходных каналов, используя однотипные сборки, потому что при изменении выходного напряжения на линиях UOUT_1 … UOUT_n изменяется только преобразователь напряжения 800 в части количества витков в обмотках, номиналов конденсаторов в выходных фильтрах 803 и 804, номиналов резисторов R1-R4, номиналов транзисторов VT1-VT4. Например, для формирования восьми независимых линий для выходных напряжений достаточно одной интегральной схемы, состоящей из восьми ячеек D-триггера (503, 504), двух интегральных схем, состоящих из четырех высокоскоростных аналоговых компараторов (400), двух интегральных схем, состоящих из четырех усилителей ошибки (601, 602), четырех преобразователей напряжения (800). В итоге получаем комплект всего из пяти интегральных схем и четырех ферромагнитных сердечников. Подключение к блоку задающего генератора 200 ещё одного такого комплекта позволяет изготовить источник электропитания с шестнадцатью независимыми выходными каналами.The use of an open architecture for constructing a control circuit allows increasing the number of output channels using identical assemblies, because when changing the output voltage on the UOUT_1 … UOUT_n lines, only the voltage converter 800 changes in terms of the number of turns in the windings, the ratings of the capacitors in the output filters 803 and 804, the ratings of the resistors R1-R4, the ratings of the transistors VT1-VT4. For example, to form eight independent lines for output voltages, one integrated circuit consisting of eight D-trigger cells (503, 504), two integrated circuits consisting of four high-speed analog comparators (400), two integrated circuits consisting of four error amplifiers (601, 602), four voltage converters (800) is sufficient. As a result, we obtain a set of only five integrated circuits and four ferromagnetic cores. Connecting another such set to the master oscillator block 200 allows you to make a power source with sixteen independent output channels.
С целью улучшения технологичности преобразователи напряжения 800 для формирования выходных напряжения по линиям UOUT_n-1 и UOUT_n должны быть рассчитаны на одинаковую максимальную выходную мощность по линиям UOUT_n-1 и UOUT_n. Количество каналов должно быть кратным 2. Выбор максимального количества каналов определяется следующими параметрами: нагрузочной способностью выхода задающего генератора 202 и затуханием сигнала при распространении по линии CLK.In order to improve the technological efficiency, voltage converters 800 for generating output voltages along the UOUT_n-1 and UOUT_n lines must be designed for the same maximum output power along the UOUT_n-1 and UOUT_n lines. The number of channels must be a multiple of 2. The choice of the maximum number of channels is determined by the following parameters: the load capacity of the output of the master oscillator 202 and the attenuation of the signal during propagation along the CLK line.
Применение единой схемы формирования импульсов тактового генератора упрощает синхронизацию частоты преобразования для всех выходных каналов.The use of a single clock generator pulse generation circuit simplifies synchronization of the conversion frequency for all output channels.
Применение интегральных схем с малой и средней степенью интеграции позволяет использовать компонентную базу, стойкую к специальным внешним воздействующим факторам и факторам космического пространства.The use of integrated circuits with a low and medium degree of integration allows the use of a component base that is resistant to special external factors and space factors.
Применение низкопрофильного Ш-образного сердечника снижает трудозатраты на изготовление устройства. Трансформатор может быть интегрирован в общую печатную плату или быть изготовленным в виде отдельной печатной платы без применения специализированного намоточного оборудования.The use of a low-profile E-shaped core reduces the labor costs for manufacturing the device. The transformer can be integrated into a common printed circuit board or manufactured as a separate printed circuit board without the use of specialized winding equipment.
Таким образом обеспечивается технологичность многоканального импульсного источника электропитания за счет более эффективного производства и лучших эксплуатационных характеристик.This ensures the manufacturability of the multi-channel pulse power supply through more efficient production and better performance characteristics.
Для подтверждения возможности достижения технического результата и заявленных преимуществ был изготовлен и испытан тестовый образец.To confirm the possibility of achieving the technical result and the stated advantages, a test sample was manufactured and tested.
Ниже в таблице 1 приведены результирующие характеристики изобретения, реализованного по наиболее предпочтительному варианту осуществления, в части обеспечения независимой стабилизации выходного напряжения на двух каналах с использованием одного БФВН. По линиям UIN и URDV подавалось напряжение 12 В.Below in Table 1 are given the resulting characteristics of the invention, implemented according to the most preferred embodiment, in terms of ensuring independent stabilization of the output voltage on two channels using one BFVN. A voltage of 12 V was supplied along the UIN and URDV lines.
Таблица 1Table 1
Таким образом подтверждена возможность построения многоканального импульсного источника электропитания с независимыми линиями для выходных напряжений и достижением технического результата и заявленных преимуществ.Thus, the possibility of constructing a multi-channel pulse power supply with independent lines for output voltages and achieving the technical result and declared advantages has been confirmed.
На фиг. 1-3 использованы следующие условные обозначения:The following symbols are used in Fig. 1-3:
БЗГ - блок задающего генератора, содержащий:BZG - master oscillator block, containing:
100 - источник опорного напряжения;100 - reference voltage source;
200 - задающий генератор, содержащий:200 - a master oscillator containing:
201 - коммутатор импульсов;201 - pulse switch;
202 - задающий генератор;202 - master oscillator;
203 - пиковый детектор;203 - peak detector;
204 - компаратор;204 - comparator;
300 - линейный стабилизатор;300 - linear stabilizer;
БФВН_1 BFVN_1 …… БФВН_n - блок(и) формирования выходного напряжения, каждый содержит:BFVN_n - output voltage generation block(s), each containing:
400 - многоканальный компаратор;400 - multichannel comparator;
401, 402 - аналоговые буферные повторители компаратора 400;401, 402 - analog buffer repeaters of comparator 400;
403, 404 - аналоговые компараторы компаратора 400;403, 404 - analog comparators of comparator 400;
500 - многоканальный формирователь широтно-импульсной модуляции (ШИМ);500 - multichannel pulse-width modulation (PWM) generator;
501, 502 - цифровые буферные повторители формирователя ШИМ 500;501, 502 - digital buffer repeaters of the PWM generator 500;
503, 504 - D-триггеры формирователя ШИМ 500;503, 504 - D-triggers of PWM generator 500;
505, 506 - RS-триггеры формирователя ШИМ 500;505, 506 - RS-triggers of PWM generator 500;
507, 508 - компараторы формирователя ШИМ 500;507, 508 - comparators of the PWM generator 500;
600 - многоканальный усилитель ошибки;600 - multi-channel error amplifier;
601, 602 - отдельные усилители ошибки на основе операционных усилителей общего применения;601, 602 - separate error amplifiers based on general-purpose operational amplifiers;
700 - многоканальный драйвер;700 - multi-channel driver;
701, 702, 703, 704 - линии задержки драйвера 700;701, 702, 703, 704 - driver 700 delay lines;
705, 707, 706, 708 - усилительные каскады линий задержки 701, 702, 703, 704 драйвера 700 соответственно705, 707, 706, 708 - amplifying stages of delay lines 701, 702, 703, 704 of driver 700 respectively
800 - преобразователь напряжения;800 - voltage converter;
801, 802 - схема контроля тока преобразователя напряжения 800;801, 802 - current control circuit of voltage converter 800;
803, 804 - фильтры низких частот формирователя ШИМ 800;803, 804 - low-pass filters of the PWM generator 800;
UIN - линия электропитания для преобразователь напряжения 800;UIN - power supply line for voltage converter 800;
UDRV - линия электропитания (входного напряжения) для БЗГ и БФВН_1…БФВН_n;UDRV - power supply line (input voltage) for BZG and BFVN_1 … BFVN_n;
UDIG - напряжение от линейного стабилизатора 300 для БЗГ, компаратора 400, формирователя ШИМ 500, усилителя ошибки 600;UDIG - voltage from the linear stabilizer 300 for the BZG, comparator 400, PWM generator 500, error amplifier 600;
UOUT_1, UOUT_2, … UOUT_n-1, UOUT_n - линии для выходного напряжения от БФВН_1…БФВН_n соответственно;UOUT_1, UOUT_2, … UOUT_n-1, UOUT_n - lines for output voltage from BFVN_1 … BFVN_n respectively;
FAIL1…FAILn - сигналы контроля, предназначенные для индикации аварийного отключения соответствующего выходного напряжения при перегрузке по току потребления;FAIL1 … FAILn - control signals intended to indicate emergency shutdown of the corresponding output voltage in case of overload of the consumption current;
RFAIL1…RFAILn - сигналы управления, предназначенные для сброса защиты от перегрузки по току соответствующего выходного напряжения;RFAIL1 … RFAILn - control signals intended to reset the overcurrent protection of the corresponding output voltage;
UREF - стабилизированное напряжение от источника опорного напряжения 100 для многоканального усилителя ошибки 600;UREF - stabilized voltage from reference voltage source 100 for multichannel error amplifier 600;
RAMP - выходной сигнал пилообразной формы от задающего генератора 200 для работы компараторов 403 и 404;RAMP - sawtooth output signal from master oscillator 200 for operation of comparators 403 and 404;
CLK - последовательность прямоугольных импульсов от задающего генератора 202;CLK - a sequence of rectangular pulses from the master oscillator 202;
FB - линия передачи уровня сигнала RAMP на вход компаратора 204 от пикового детектора 203;FB - line for transmitting the RAMP signal level to the input of comparator 204 from peak detector 203;
K_CLK - пакеты прямоугольных импульсов от коммутатора импульсов 201;K_CLK - packets of rectangular pulses from pulse switch 201;
RST - сигнал с уровнем логический «0» с выхода компаратора 204 для перевода пикового детектора 203 в исходное состояние перед началом нового цикла формирования сигнала RAMP;RST - a signal with a logic level of “0” from the output of comparator 204 to transfer peak detector 203 to its initial state before the start of a new cycle of generating the RAMP signal;
CMP1, CMP2 - линии передачи сигналов с уровнем логического «0» или логической «1» от аналоговых компараторов 403, 404 на D-триггеры 503, 504;CMP1, CMP2 - signal transmission lines with a logical level of “0” or logical “1” from analog comparators 403, 404 to D-triggers 503, 504;
UREG1, UREG2 - линии передачи аналоговых сигналов, пропорциональных выходному напряжению UOUT1 и UOUT2 соответственно, от усилителей ошибки 601, 602 на аналоговые компараторы 403, 404;UREG1, UREG2 - transmission lines of analog signals proportional to the output voltage UOUT1 and UOUT2, respectively, from error amplifiers 601, 602 to analog comparators 403, 404;
UFB1, UFB2 - линии передачи измерительных сигналов от делителей напряжения R1R2 и R3R4 на усилители ошибки 601, 602;UFB1, UFB2 - lines for transmitting measuring signals from voltage dividers R1R2 and R3R4 to error amplifiers 601, 602;
PWM1, PWM2 - линии передачи сигналов ШИМ с логической «1» или логическим «0» от D-триггеров 503, 504 на линии задержки 701, 703 драйвера 700;PWM1, PWM2 - PWM signal transmission lines with logical “1” or logical “0” from D-triggers 503, 504 to delay lines 701, 703 of driver 700;
NPWM1, NPWM2 - линии передачи сигналов ШИМ с логической «1» или логическим «0», противофазных сигналам PWM1 и PWM2 соответственно от D-триггеров 503, 504 на линии задержки 702, 704 драйвера 700;NPWM1, NPWM2 - lines for transmitting PWM signals with logical “1” or logical “0”, antiphase to the PWM1 and PWM2 signals, respectively, from D-triggers 503, 504 to delay lines 702, 704 of driver 700;
DPWM1, DPWM2 - линии передачи сигналов ШИМ от усилительных каскадов 705, 706 с уровнем, достаточным для надёжной работы транзисторов VT1, VT3 первичных обмоток двух трансформаторов преобразователя напряжения 800;DPWM1, DPWM2 - PWM signal transmission lines from amplifier stages 705, 706 with a level sufficient for reliable operation of transistors VT1, VT3 of the primary windings of two transformers of voltage converter 800;
DNPWM1, DNPWM2 - линии передачи сигналов ШИМ от усилительных каскадов 707, 708, противофазных сигналам DPWM1 и DPWM2 соответственно и уровнем, достаточным для надёжной работы транзисторов VT2, VT4 вторичных обмоток двух трансформаторов преобразователя напряжения 800;DNPWM1, DNPWM2 - PWM signal transmission lines from amplifier stages 707, 708, antiphase to signals DPWM1 and DPWM2 respectively and at a level sufficient for reliable operation of transistors VT2, VT4 of the secondary windings of two transformers of voltage converter 800;
CS1, CS2 - линии передачи сигналов с уровнем напряжения, пропорциональным току нагрузки по линиям UOUT1 и UOUT2, от схем контроля тока 801, 802 на компараторы 507, 508;CS1, CS2 - signal transmission lines with a voltage level proportional to the load current along lines UOUT1 and UOUT2, from current control circuits 801, 802 to comparators 507, 508;
ULIM - линия подачи опорного напряжения на компараторы 507, 508, которое может быть сформировано, например, из напряжения на линии UDIG;ULIM - line for supplying reference voltage to comparators 507, 508, which can be formed, for example, from the voltage on the UDIG line;
Т1.1, Т1.2 - первичная и вторичная обмотки преобразователя напряжения 800 соответственно для первой выходной линии UOUT_1;T1.1, T1.2 - primary and secondary windings of voltage converter 800, respectively, for the first output line UOUT_1;
Т2.1, Т2.2 - первичная и вторичная обмотки преобразователя напряжения 800 соответственно для второй выходной линии UOUT_2;T2.1, T2.2 - primary and secondary windings of voltage converter 800, respectively, for the second output line UOUT_2;
VT1, VT2 - транзисторы первичной и вторичной обмоток соответственно для первой выходной линии UOUT_1;VT1, VT2 - transistors of the primary and secondary windings, respectively, for the first output line UOUT_1;
VT3, VT4 - транзисторы первичной и вторичной обмоток соответственно для второй выходной линии UOUT_2;VT3, VT4 - transistors of the primary and secondary windings, respectively, for the second output line UOUT_2;
R1R2 - делители напряжения, подключенные к первой выходной линии UOUT_1;R1R2 - voltage dividers connected to the first output line UOUT_1;
R3R4 - делители напряжения, подключенные ко второй выходной линии UOUT_2.R3R4 are voltage dividers connected to the second output line UOUT_2.
Claims (26)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2838912C1 true RU2838912C1 (en) | 2025-04-24 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1248009A1 (en) * | 1984-07-06 | 1986-07-30 | Предприятие П/Я А-1811 | Multichannel power source |
| SU1328896A1 (en) * | 1986-03-24 | 1987-08-07 | Предприятие П/Я А-1811 | Single-cycle dc voltage converter |
| RU2115211C1 (en) * | 1996-07-01 | 1998-07-10 | Производственное объединение "Корпус" | Multichannel power supply for fiber-optic angular-velocity meter |
| WO2006086022A3 (en) * | 2005-02-04 | 2007-11-08 | Ess Technology Inc | Dual output switching regulator and method of operation |
| WO2014017312A1 (en) * | 2012-07-23 | 2014-01-30 | 株式会社村田製作所 | Diode load driving power supply device |
| US10523106B2 (en) * | 2016-12-19 | 2019-12-31 | Chengdu Monolithic Power Systems Co., Ltd. | Multi-channel switching mode power supply and control method thereof |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1248009A1 (en) * | 1984-07-06 | 1986-07-30 | Предприятие П/Я А-1811 | Multichannel power source |
| SU1328896A1 (en) * | 1986-03-24 | 1987-08-07 | Предприятие П/Я А-1811 | Single-cycle dc voltage converter |
| RU2115211C1 (en) * | 1996-07-01 | 1998-07-10 | Производственное объединение "Корпус" | Multichannel power supply for fiber-optic angular-velocity meter |
| WO2006086022A3 (en) * | 2005-02-04 | 2007-11-08 | Ess Technology Inc | Dual output switching regulator and method of operation |
| WO2014017312A1 (en) * | 2012-07-23 | 2014-01-30 | 株式会社村田製作所 | Diode load driving power supply device |
| US10523106B2 (en) * | 2016-12-19 | 2019-12-31 | Chengdu Monolithic Power Systems Co., Ltd. | Multi-channel switching mode power supply and control method thereof |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0428377B1 (en) | DC/DC switching converter circuit | |
| US7034647B2 (en) | Integrated magnetics for a DC-DC converter with flexible output inductor | |
| US5856916A (en) | Assembly set including a static converter with controlled switch and control circuit | |
| US4184197A (en) | DC-to-DC switching converter | |
| US11641164B2 (en) | Power conversion circuit and power conversion apparatus with same | |
| JP4801121B2 (en) | Voltage clamp type power converter | |
| US10153700B2 (en) | Power converters | |
| Biswas et al. | GaN based switched capacitor three-level buck converter with cascaded synchronous bootstrap gate drive scheme | |
| US10164544B2 (en) | Isolated partial power converter | |
| US12470136B2 (en) | Resonant switched capacitor direct current/direct current converter and power system | |
| US20230091474A1 (en) | Power supply conversion topology of multiphase switch capacitor resonant cavity conversion circuit with full-wave output rectification and power supply conversion structures based on power supply conversion topology | |
| RU2838912C1 (en) | Multichannel pulse power supply source | |
| US10205406B2 (en) | Passive boost network and DC-DC boost converter applying the same | |
| Yan et al. | Isolated two-inductor boost converter with one magnetic core | |
| Roy et al. | Gan-based high gain soft switching coupled-inductor boost converter | |
| US20190181742A1 (en) | Passive circuit and power converter | |
| JPH06141536A (en) | Low-loss power supply device including dc/dc converter | |
| Kumar et al. | A cascaded buck-flyback structure for high voltage step down applications | |
| JP6045664B1 (en) | Power converter | |
| JP2000060113A (en) | Boost converter having reduced output voltage and its operating method | |
| JP7740853B2 (en) | Double-ended dual magnetic DC-DC switching power converter with laminated secondary winding and AC-coupled output | |
| US7218536B2 (en) | Voltage regulator converter without switching losses | |
| SU1107233A1 (en) | D.c. voltage converter | |
| CN113949275B (en) | Multi-source DC-DC conversion circuit | |
| US20040022080A1 (en) | Switching transformer |