RU2009602C1

RU2009602C1 - Constant voltage converter

Info

Publication number: RU2009602C1
Authority: RU
Inventors: Д.В. Игумнов; В.А. Масловский; А.С. Сигов
Original assignee: Московский институт радиотехники, электроники и автоматики
Priority date: 1992-03-26
Filing date: 1992-03-26
Publication date: 1994-03-15

Abstract

FIELD: constant voltage conversion. SUBSTANCE: constant voltage converter has two igfets 1, 2. Igfet 1 has p-channel, and igfet 2 has n-channel. Converter also has two diodes 3 and 4, three capacitors 5-7 and four resistors 8-11. Diode 12 and resistor 13 are brought into the converter additionally, which help to reduce resistance of open IGFET 1 and, as a result, power losses in the transistor. EFFECT: reduced losses. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при преобразовании постоянных напряжений, например, для цепей питания маломощных интегральных схем. The invention relates to electrical engineering and can be used in the conversion of constant voltage, for example, for power circuits of low-power integrated circuits.

Известен преобразователь постоянного напряжения, содержащий два полупроводниковых переключательных элемента, которые соединены последовательно друг с другом и состояния которых (открытое, закрытое) взаимно противоположны. Последовательная цепь, состоящая из полупроводниковых переключательных элементов, включается параллельно первичному источнику питания. Параллельно каждому переключательному элементу включена последовательная цепь из конденсатора и диода, благодаря чему происходит сложение напряжений, до которых заряжен каждый конденсатор. Основным недостатком такого преобразователя являются большие потери выходного напряжения, что и обуславливает относительно небольшой КПД. A known DC-voltage Converter containing two semiconductor switching elements that are connected in series with each other and whose states (open, closed) are mutually opposite. A series circuit consisting of semiconductor switching elements is connected in parallel with the primary power source. In parallel to each switching element, a series circuit of a capacitor and a diode is connected, due to which there is an addition of voltages to which each capacitor is charged. The main disadvantage of such a converter is the large loss of output voltage, which leads to a relatively small efficiency.

Известно также устройство, содержащее два МДП-транзистора, один из которых имеет р-, а другой n-канал, два диода, два стабилитрона, три конденсатора и два резистора, являющиеся нагрузками устройства, первые выводы которых подключены к истоку с подложкой МДП-транзистора c n-каналом, аноду первого стабилитрона, катоду второго стабилитрона, первым обкладкам второго и третьего конденсаторов и минусовой клемме источника входного напряжения, плюсовая клемма которого подключена к истоку с подложкой МДП-транзистора с р-каналом, сток которого подключен к стоку МДП-транзистора с n-каналом и первой обкладке первого конденсатора, вторая обкладка которого подключена к катоду второго диода и аноду первого диода, катод которого подключен к катоду первого стабилитрона, второй обкладке второго конденсатора и второму выводу первого резистора, а второй вывод второго резистора подключен к анодам второго диода и второго стабилитрона и второй обкладке третьего конденсатора. Такой преобразователь обеспечивает получение двух выходных постоянных напряжений (одного положительного и одного отрицательного). Его основными недостатками являются относительно невысокие КПД и надежность. It is also known a device containing two MOS transistors, one of which has a p- and the other n-channel, two diodes, two zener diodes, three capacitors and two resistors, which are the loads of the device, the first conclusions of which are connected to the source with the substrate of the MOS transistor with an n-channel, the anode of the first zener diode, the cathode of the second zener diode, the first plates of the second and third capacitors and the negative terminal of the input voltage source, the positive terminal of which is connected to the source with the substrate of an MOS transistor with a p-channel, the drain of which is connected it is connected to the drain of an MOS transistor with an n-channel and the first lining of the first capacitor, the second lining of which is connected to the cathode of the second diode and the anode of the first diode, the cathode of which is connected to the cathode of the first zener diode, the second lining of the second capacitor and the second terminal of the first resistor, and the second terminal the second resistor is connected to the anodes of the second diode and the second zener diode and the second plate of the third capacitor. Such a converter provides two output DC voltages (one positive and one negative). Its main disadvantages are relatively low efficiency and reliability.

Наиболее близким техническим решением является преобразователь постоянного напряжения, содержащий два МДП-транзистора, один из которых имеет р-, а другой n-канал, два диода, три конденсатора и четыре резистора, первые два из которых являются нагрузками устройства, а их первые выводы подключены к истоку МДП-транзистора с n-каналом, первым обкладкам второго и третьего конденсаторов, первому выводу третьего резистора и минусовой клемме источника входного напряжения, плюсовая клемма которого подключена к истоку с подложкой МДП-транзистора с р-каналом, сток которого подключен к первой обкладке первого конденсатора и стоку МДП-транзистора с n-каналом, подложка которого подключена ко второму выводу третьего резистора и первому выводу четвертого резистора, второй вывод которого подключен ко второму выводу второго резистора, второй обкладке третьего конденсатора и аноду второго диода, катод которого подключен ко второй обкладке первого конденсатора и аноду первого диода, катод которого подключен ко второму выводу первого резистора и второй обкладке второго конденсатора. Такой преобразователь имеет хорошую надежность, но относительно большие потери на открытом МДП-транзисторе с р-каналом (за счет повышенного сопротивления канала) снижают величину КПД, что и является основным недостатком прототипа. The closest technical solution is a DC-voltage converter containing two MOS transistors, one of which has a p- and the other n-channel, two diodes, three capacitors and four resistors, the first two of which are device loads, and their first conclusions are connected to the source of the MOS transistor with an n-channel, the first plates of the second and third capacitors, the first output of the third resistor and the negative terminal of the input voltage source, the positive terminal of which is connected to the source with the substrate of the MOS transistor with -channel, the drain of which is connected to the first plate of the first capacitor and the drain of the MOS transistor with an n-channel, the substrate of which is connected to the second terminal of the third resistor and the first terminal of the fourth resistor, the second terminal of which is connected to the second terminal of the second resistor, the second plate of the third capacitor and the anode of the second diode, the cathode of which is connected to the second plate of the first capacitor and the anode of the first diode, the cathode of which is connected to the second terminal of the first resistor and the second plate of the second capacitor. Such a converter has good reliability, but relatively large losses on an open MOS transistor with a p-channel (due to the increased channel resistance) reduce the value of efficiency, which is the main disadvantage of the prototype.

Задача данного изобретения - повышение КПД устройства, при этом требуемый технический результат достигается за счет умеьшения потерь в открытом МДП-транзисторе с р-каналом в преобразователе постоянного напряжения, содержащем два МДП-транзистора, один из которых имеет р-, а другой n-канал, два диода, три конденсатора и четыре резистора, первые два из которых являются нагрузочными, а их первые выводы подключены к истоку МДП-транзистора с n-каналом, первым обкладкам второго и третьего конденсаторов, первому выводу третьего резистора и минусовой клемме источника входного напряжения, плюсовая клемма которого подключена к истоку МДП-транзистора с р-каналом, сток которого подключен к первой обкладке первого конденсатора и стоку МДП-транзистора с n-каналом, подложка которого подключена ко второму выводу третьего резистора и первому выводу четвертого резистора, второй вывод которого подключен ко второму выводу второго резистора, второй обкладке третьего конденсатора и аноду второго диода, катод которого подключен ко второй обкладке первого конденсатора и аноду первого диода, катод которого подключен ко второму выводу первого резистора и второй обкладке второго конденсатора, за счет введения дополнительных диода и резистора, первый вывод которого подключен к затвору МДП-транзистора с р-каналом и аноду дополнительного диода, катод которого подключен ко второму выводу дополнительного резистора и подложке МДП-транзистора с р-каналом. The objective of the invention is to increase the efficiency of the device, while the required technical result is achieved by reducing losses in an open MOS transistor with a p-channel in a DC / DC converter containing two MOS transistors, one of which has a p- and the other n-channel , two diodes, three capacitors and four resistors, the first two of which are load-bearing, and their first terminals are connected to the source of an MOS transistor with an n-channel, the first plates of the second and third capacitors, the first terminal of the third resistor and minuses the terminal of the input voltage source, the positive terminal of which is connected to the source of the MOS transistor with a p-channel, the drain of which is connected to the first plate of the first capacitor and the drain of the MOS transistor with an n-channel, the substrate of which is connected to the second terminal of the third resistor and the first terminal of the fourth a resistor, the second terminal of which is connected to the second terminal of the second resistor, the second plate of the third capacitor and the anode of the second diode, the cathode of which is connected to the second plate of the first capacitor and the anode of the first diode, cat One of which is connected to the second terminal of the first resistor and the second lining of the second capacitor, due to the introduction of additional diode and resistor, the first terminal of which is connected to the gate of an MOS transistor with a p-channel and the anode of the additional diode, the cathode of which is connected to the second terminal of the additional resistor and substrate MOS transistor with r-channel.

За счет подачи управляющего сигнала не только на затвор, но и на подложку МДП-транзистора с р-каналом реализуется параллельное включение самого МДП-транзистора и биполярного p-n-p-транзистора, коллектором которого является сток, эмиттером - исток, а базой - подложка входящего в структуру МДП-транзистора с р-каналом. Малое остаточное сопротивление открытого биполярного транзистора уменьшает статические потери преобразователя, чем и определяется повышение КПД. By supplying a control signal not only to the gate, but also to the substrate of an MOS transistor with a p-channel, the MOS transistor itself and a bipolar pnp transistor are implemented in parallel, the collector of which is a drain, the emitter is the source, and the base is the substrate of the structure MOS transistor with r-channel. The low residual resistance of the open bipolar transistor reduces the static losses of the converter, which determines the increase in efficiency.

На чертеже представлена принципиальная схема преобразователя постоянного напряжения, состоящая из МДП-транзистора с индуцированным р-каналом 1, МДП-транзистора с индуцированным n-каналом 2, двух диодов 3 и 4, трех конденсаторов 5, 6 и 7, четырех резисторов 8, 9, 10, 11, дополнительного диода 12 и дополнительного резистора 13. Минусовая клемма источника входного напряжения подключена к истоку МДП-транзистора 2, первым обкладкам конденсаторов 6 и 7, первым выводам резисторов 8, 9 и 10. Плюсовая клемма источника входного напряжения подключена к истоку МДП-транзистора 1, сток которого подключен к первой обкладке конденсатора 5 и стоку МДП-транзистора 2. Вторая обкладка конденсатора 5 подключена к катоду диода 4 и аноду диода 3, катод которого подключен ко второй обкладке конденсатора 6 и второму выводу резистора 8. Анод диода 4 подключен ко второй обкладке конденсатора 7 и вторым выводам резисторов 9 и 11. Первый вывод резистора 11 подключен ко второму выводу резистора 10 и подложке МДП-транзистора 2. Подложка МДП-транзистора 1 подключена к катоду диода 12 и второму выводу резистора 13, первый вывод которого подключен к аноду диода 12 и затвору МДП-транзистора 1. The drawing shows a schematic diagram of a DC-voltage converter, consisting of an MOS transistor with an induced p-channel 1, an MOS transistor with an induced n-channel 2, two diodes 3 and 4, three capacitors 5, 6 and 7, four resistors 8, 9 , 10, 11, additional diode 12 and additional resistor 13. The minus terminal of the input voltage source is connected to the source of the MOS transistor 2, the first plates of the capacitors 6 and 7, the first terminals of the resistors 8, 9 and 10. The plus terminal of the input voltage source is connected to the source TIR-t anzistor 1, the drain of which is connected to the first plate of the capacitor 5 and the drain of the MOS transistor 2. The second plate of the capacitor 5 is connected to the cathode of the diode 4 and the anode of the diode 3, the cathode of which is connected to the second plate of the capacitor 6 and the second output of the resistor 8. The anode of the diode 4 is connected to the second lining of the capacitor 7 and the second terminals of the resistors 9 and 11. The first terminal of the resistor 11 is connected to the second terminal of the resistor 10 and the substrate of the MOS transistor 2. The substrate of the MIS transistor 1 is connected to the cathode of the diode 12 and the second terminal of the resistor 13, the first terminal of which connected to the anode of diode 12 and the gate of the MIS transistor 1.

Резисторы 8 и 9 являются нагрузками, включенными на выходах преобразователя. Сигналы управления устройством подаются на затворы силовых МДП-транзисторов 1 и 2 (как во втором аналоге и прототипе). Resistors 8 and 9 are the loads included at the outputs of the converter. The control signals of the device are fed to the gates of the power MOS transistors 1 and 2 (as in the second analogue and prototype).

Основная часть предлагаемого устройства работает так же, как и прототип. При поступлении отпирающего сигнала на затвор МДП-транзистора 1 и запирающего сигнала на затвор МДП-транзистора 2 происходит заряд конденсатора 5 через открытый МДП транзиcтор 1, диод 3 и резиcтор 8. При этом также заряжаетcя конденcатор 6. При открывании МДП-транзистора 2 и закрывании МДП-транзистора 1 напряжение заряженного конденсатора 5 открывает диод 4. При этом энергия конденсатора 5 передается в нагрузку 9 и фильтрующий конденсатор 7. После очередного открывания МДП-транзистора 1 и закрывания МДП-транзистора 2 процессы в схеме повторяются. В результате, на нагрузке 8 будет присутствовать положительное, а на нагрузке 9 - отрицательное выходное напряжение. Для стабилизации выходных напряжений параллельно нагрузкам 8 и 9 можно включить опорные диоды или иные стабилизирующие элементы (как это имеет место во втором аналоге и прототипе). Отрицательное напряжение с нагрузки 9 через делитель напряжения, выполненный на резисторах 10 и 11, поступает на подложку МДП-транзистора 2, чем устраняется возможность развития вторичного пробоя в биполярной структуре МДП-транзистора 2 и, следовательно, обеспечивается надежная работа устройства. The main part of the proposed device works in the same way as the prototype. Upon receipt of the unlocking signal to the gate of the MOS transistor 1 and the locking signal to the gate of the MOS transistor 2, the capacitor 5 is charged through the open MIS transistor 1, diode 3 and resistor 8. At the same time, capacitor 6 is also charged. When the MIS transistor 2 is opened and closed MOS transistor 1, the voltage of the charged capacitor 5 opens the diode 4. In this case, the energy of the capacitor 5 is transferred to the load 9 and the filter capacitor 7. After the next opening of the MOS transistor 1 and closing the MOS transistor 2, the processes in the circuit are repeated. As a result, the positive 8 will be present at the load 8, and the negative output voltage at the load 9. To stabilize the output voltages parallel to the loads 8 and 9, you can turn on the reference diodes or other stabilizing elements (as is the case in the second analogue and prototype). Negative voltage from load 9 through a voltage divider made on resistors 10 and 11 is fed to the substrate of the MOS transistor 2, thereby eliminating the possibility of secondary breakdown in the bipolar structure of the MOS transistor 2 and, therefore, reliable operation of the device is ensured.

Основное отличие предлагаемого устройства состоит в наличии цепи из диода 12 и резистора 13, соединяющей затвор и подложку МДП-транзистора 1. Поскольку дырки имеют меньшую подвижность, чем электроны, то у МДП-транзисторов с р-каналом сопротивление канала в открытом состоянии всегда больше, чем у МДП-транзисторов с n-каналом. Этим определяются большие потери на открытом МДП-транзисторе 1, чем на МДП-транзисторе 2. С помощью цепи диода 12 и резистора 13 осуществляется уменьшение сопротивления открытого МДП-транзистора 1, а следовательно, и потерь энергии на нем. The main difference of the proposed device is the presence of a circuit of a diode 12 and a resistor 13 connecting the gate and the substrate of the MOS transistor 1. Since holes have less mobility than electrons, in MIS transistors with a p-channel the channel resistance in the open state is always greater, than MIS transistors with an n-channel. This determines greater losses on the open MOS transistor 1 than on the MIS transistor 2. Using the circuit of the diode 12 and the resistor 13, the resistance of the open MOS transistor 1 is reduced, and therefore the energy loss on it.

При поступлении отрицательного управляющего напряжения на затвор МДП-транзистора 1 он открывается. В этом случае открывается и биполярный p-n-p-транзистор, входящий в структуру МДП-транзистора 1, ток базы (подложки) которого задается с помощью ограничительного резистора 13. Поскольку биполярные транзисторы в открытом состоянии имеют сопротивление существенно меньше, чем МДП-транзисторы, то p-n-p-транзистор будет шунтировать весь МДП-транзистор 1, чем и будет обуславливаться снижение потерь энергии. За счет малых потерь реализуется повышенный КПД предлагаемого устройства. Upon receipt of a negative control voltage to the gate of the MOS transistor 1, it opens. In this case, the bipolar pnp transistor, which is part of the structure of the MOS transistor 1, opens, the base (substrate) current of which is set using the limiting resistor 13. Since bipolar transistors in the open state have a resistance significantly less than the MOS transistors, then pnp the transistor will bypass the entire MOS transistor 1, which will determine the reduction in energy loss. Due to small losses, an increased efficiency of the proposed device is realized.

При поступлении положительного управляющего напряжения на затвор МДП-транзистора 1 он закрывается так же, как и его p-n-p-транзистор, запирающее напряжение на базу (подложку) которого подается через диод 12. Upon receipt of a positive control voltage to the gate of the MOS transistor 1, it closes in the same way as its pnp transistor, which shuts off the voltage to the base (substrate) of which is supplied through diode 12.

Экспериментальная проверка преобразователя постоянного напряжения была проведена на МДП-транзисторах КП701, 2П702, 2П703, 2П803 и лабораторных образцах. По сравнению с прототипом в предлагаемом устройстве наблюдалось повышение КПД. Так, при частоте переключения в 200 кГц КПД предлагаемого устройства достигал примерно 0,92, тогда как в прототипе не превышал 0,88. (56) Патент Японии N 49-6610, кл. H 02 M 3/14, 1974. An experimental check of the DC-DC converter was carried out on MIS transistors KP701, 2P702, 2P703, 2P803 and laboratory samples. Compared with the prototype in the proposed device there was an increase in efficiency. So, with a switching frequency of 200 kHz, the efficiency of the proposed device reached approximately 0.92, while in the prototype it did not exceed 0.88. (56) Japanese Patent No. 49-6610, Class. H 02 M 3/14, 1974.

Э. М. Ромаш Высокочастотные транзисторные преобразователи, М. : Радио и связь, 1988, с. 166, р. 5,24в. М.. M. Romash High-frequency transistor converters, M.: Radio and communication, 1988, p. 166, p. 5.24v.

Авторское свидетельство СССР N 1729336, кл. H 02 M 3/07, 1992. USSR author's certificate N 1729336, cl. H 02 M 3/07, 1992.

Claims

A DC / DC converter containing two MOS transistors, one of which has a p- and the other n-channel, two diodes, three capacitors and four resistors, the first two of which are load-bearing, and their first terminals are connected to the source of the MOS transistor with n-channel, the first terminals of the second and third capacitors, the first terminal of the third resistor and the negative input terminal, while the positive input terminal is connected to the source of the MOS transistor with the p-channel, the drain of which is connected to the first terminal of the first capacitor and one hundred MIS transistor with an n-channel, the substrate of which is connected to the second terminal of the third resistor and the first terminal of the fourth resistor, the second terminal of which is connected to the second terminal of the second resistor, the second terminal of the third capacitor and the anode of the second diode, the cathode of which is connected to the second terminal of the first capacitor and the anode of the first diode, the cathode of which is connected to the second terminal of the first resistor and the second terminal of the second capacitor, characterized in that an additional diode and resistor are introduced, the first terminal of which is connected It is connected to the gate of an MOS transistor with a p-channel and the anode of an additional diode, the cathode of which is connected to the second terminal of the additional resistor and the substrate of the MOS transistor with a p-channel.