RU2333525C2

RU2333525C2 - Regulated voltage converter

Info

Publication number: RU2333525C2
Application number: RU2006114963/09A
Authority: RU
Inventors: Лев Рафаилович Гутер
Priority date: 2006-05-04
Filing date: 2006-05-04
Publication date: 2008-09-10
Also published as: RU2006114963A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention refers to converting equipment and can be used within secondary power sources. The technical result is achieved due to implementation of transistor (15) with its base connected, through capacitor (16), to output of galvanic decoupling assembly (11), its emitter connected to model input of control unit (9) and correcting RC-circuit (13), and its collector connected to power bus of control unit. Such a connection allows for speeding up model input voltage rise of control unit (9) and practically preventing converter output voltage dynamic depression.

EFFECT: improved dynamic characteristics of regulated voltage converter at discontinuous increase in load current.

3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания.The present invention relates to a conversion technique and can be used in secondary power sources.

Известны стабилизированные преобразователи, содержащие блок регулятора, выход которого подключен ко входу трансформатора, первый выход трансформатора подключен к первому (силовому) выпрямителю, а второй - подключен ко входу второго(вспомогательного) выпрямителя, выход первого выпрямителя через выходной фильтр подключен к нагрузке, выход второго выпрямителя подключен ко второму (вспомогательному) фильтру, блок управления, интегрированный с блоком регулятора, выход которого объединен со входом последнего, усилитель сигнала рассогласования, входом подключенный к выходу преобразователя, а выходом - ко входу элемента гальванической развязки, первый вывод выхода элемента гальванической развязки подключен к выходу второго фильтра, а второй - к модулирующему входу блока управления, к последнему подключен первый вывод корректирующей RC-цепи, а второй ее вывод - к общему выводу блока управления [1], [2].Known stabilized converters containing a regulator block, the output of which is connected to the input of the transformer, the first output of the transformer is connected to the first (power) rectifier, and the second is connected to the input of the second (auxiliary) rectifier, the output of the first rectifier through the output filter is connected to the load, the output of the second the rectifier is connected to the second (auxiliary) filter, the control unit integrated with the regulator unit, the output of which is combined with the input of the latter, an amplifier of the mismatch signal input connected to the output of the converter, and the output to the input of the galvanic isolation element, the first output of the output of the galvanic isolation element is connected to the output of the second filter, and the second to the modulating input of the control unit, the first output of the corrective RC circuit is connected to the last, and the second its conclusion is to the general conclusion of the control unit [1], [2].

Известные стабилизированные преобразователи напряжения имеют низкие динамические характеристики. При скачкообразных изменениях тока нагрузки на его выходе возникают всплески и провалы напряжения. Основной причиной инерционности в контуре регулирования является корректирующая RC-цепь, шунтирующая модулирующий вход блока управления, необходимая для поддержания устойчивости преобразователя.Known stabilized voltage converters have low dynamic characteristics. In case of abrupt changes in the load current, surges and voltage dips occur at its output. The main cause of inertia in the control loop is the corrective RC circuit, which shunts the modulating input of the control unit, necessary to maintain the stability of the converter.

Характерным является то, что при быстром возрастании выходного напряжения происходит резкое отпирание выходного транзистора узла гальванической развязки, что приводит к быстрому заряду конденсатора RC-цепи (см.[1], рис.1). При этом всплеск выходного напряжения невелик.It is characteristic that with a rapid increase in the output voltage, the output transistor sharply unlocks the galvanic isolation unit, which leads to a fast charge of the RC circuit capacitor (see [1], Fig. 1). At the same time, the output voltage surge is small.

Если же происходит снижение выходного напряжения вследствие скачкообразного увеличения тока нагрузки, то выходной транзистор узла гальванической развязки быстро запирается, но это не может привести к быстрому разряду конденсатора RC-цепи. Поэтому на выходе преобразователя образуется значительный провал напряжения, многократно превышающий по величине всплеск.If the output voltage decreases due to an abrupt increase in the load current, the output transistor of the galvanic isolation unit is quickly locked, but this cannot lead to a fast discharge of the RC circuit capacitor. Therefore, a significant voltage drop is formed at the converter output, many times exceeding the surge value.

Наиболее близким к предлагаемому является стабилизированный преобразователь напряжения, содержащий блок регулятора, вход которого подключен к выходу первичного источника питания, выход подключен ко входу трансформатора, первый выход трансформатора подключен к первому выпрямителю, а второй - ко входу второго выпрямителя, выход первого выпрямителя через выходной фильтр подключен к нагрузке, выход второго выпрямителя подключен к второму фильтру, блок управления, выход которого подключен к управляющему входу блока регулятора, а вывод питания - к входу второго фильтра, усилитель сигнала рассогласования, входом подключенный к выходу преобразователя, а выходом - ко входу элемента гальванической развязки, первый вывод выхода элемента гальванической развязки подключен через резистор к выходу второго фильтра, а второй - к общему выводу блока управления, корректирующая RC-цепь, первый вывод которой подключен к модулирующему входу блока управления, а второй - к его общему выводу [2].Closest to the proposed is a stabilized voltage converter containing a regulator block, the input of which is connected to the output of the primary power source, the output is connected to the input of the transformer, the first output of the transformer is connected to the first rectifier, and the second to the input of the second rectifier, the output of the first rectifier through the output filter connected to the load, the output of the second rectifier is connected to the second filter, the control unit, the output of which is connected to the control input of the regulator unit, and the output pi - to the input of the second filter, the error signal amplifier connected to the output of the converter by the output and the output to the input of the galvanic isolation element, the first output of the output of the galvanic isolation element is connected through the resistor to the output of the second filter, and the second to the general output of the control unit, which corrects An RC circuit, the first output of which is connected to the modulating input of the control unit, and the second to its common output [2].

Этот преобразователь, также как и приведенный в [1], имеет низкие динамические характеристики. Процессы в нем протекают аналогично.This converter, as well as that given in [1], has low dynamic characteristics. The processes in it proceed similarly.

В случае всплеска выходного напряжения преобразователя выходной транзистор узла гальванической развязки быстро отпирается, разряжая конденсатор RC-цепи. Поэтому всплеск выходного напряжения невелик. В случае провала выходного напряжения преобразователя выходной транзистор узла гальванической развязки быстро запирается, но конденсатор RC-цепи вынужден долго заряжаться через резистор, подключенный к цепи питания блока управления. Поэтому в выходном напряжении возникает значительный провал.In the event of a surge in the output voltage of the converter, the output transistor of the galvanic isolation unit quickly unlocks, discharging the capacitor of the RC circuit. Therefore, the output voltage surge is small. In the event of a drop in the output voltage of the converter, the output transistor of the galvanic isolation unit is quickly locked, but the capacitor of the RC circuit is forced to charge for a long time through a resistor connected to the power circuit of the control unit. Therefore, a significant dip occurs in the output voltage.

Следует отметить, что режим скачкообразного изменения тока нагрузки от нулевого значения до максимального на практике встречается весьма часто. В частности он имеет место при загрузке в процессор операционной системы.It should be noted that the mode of abrupt change in the load current from zero to maximum in practice is very common. In particular, it takes place when loading the operating system into the processor.

Значительный провал напряжения делает систему неработоспособной.A significant voltage drop makes the system inoperative.

Техническим результатом, получаемым при осуществлении изобретения, является улучшение динамических характеристик преобразователя напряжения при скачкообразном увеличении тока нагрузки.The technical result obtained by the implementation of the invention is to improve the dynamic characteristics of the voltage Converter with an abrupt increase in the load current.

Это достигается тем, что в стабилизированный преобразователь напряжения, содержащий блок регулятора, вход которого подключен к выходу первичного источника питания, выход подключен ко входу трансформатора, первый и второй выходы трансформатора подключены соответственно ко входу первого и второго выпрямителя, выход первого выпрямителя через выходной фильтр подключен к нагрузке, выход второго выпрямителя подключен к второму фильтру, блок управления, выход которого подключен к управляющему входу блока регулятора, а выводы питания к выходам второго фильтра, усилитель сигнала рассогласования, входом подключенный к выходу преобразователя, а выходом - ко входу элемента гальванической развязки, один вывод которого через резистор, а второй непосредственно подключен к выводам питания блока управления, корректирующую RC-цепь, первый вывод которой подключен к входу блока управления, а второй - к его общему выводу, согласно изобретению введен транзистор, коллектор которого соединен с выходом второго фильтра, база транзистора через конденсатор подключена к выводу выхода элемента гальванической развязки, соединенному со входом блока управления через диод, а эмиттер транзистора подключен ко входу блока управления, переход база-эмиттер зашунтирован резистором.This is achieved by the fact that in a stabilized voltage converter containing a regulator unit, the input of which is connected to the output of the primary power source, the output is connected to the input of the transformer, the first and second outputs of the transformer are connected respectively to the input of the first and second rectifier, the output of the first rectifier is connected through the output filter to the load, the output of the second rectifier is connected to the second filter, the control unit, the output of which is connected to the control input of the regulator unit, and the power leads to the output of the second filter, an error signal amplifier connected to the output of the converter, and the output to the input of the galvanic isolation element, one output of which is through a resistor, and the second is directly connected to the power supply terminals of the control unit, which corrects the RC circuit, the first output of which is connected to the input control unit, and the second to its general output, according to the invention, a transistor is introduced, the collector of which is connected to the output of the second filter, the base of the transistor is connected through a capacitor to the output terminal of the element Galvanic separation which is connected to the input of the control unit via a diode, and a transistor emitter is connected to the input of the control unit, the base-emitter bypassed resistor.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого преобразователя напряжения, на фиг.2 - эпюры, поясняющие работу преобразователя, на фиг.3 - вариант исполнения введенного узла схемы.Figure 1 shows a diagram of the proposed voltage Converter, figure 2 - diagrams explaining the operation of the converter, figure 3 is an embodiment of the introduced circuit node.

На фиг. и в тексте приняты следующие обозначения: 1 - блок регулятора, 2 - первичный источник питания, 3 - трансформатор, 4 - первый выпрямитель, 5 - второй выпрямитель, 6 - выходной фильтр, 7 - нагрузка, 8 - второй фильтр, 9 - блок управления, 10 - усилитель сигнала рассогласования, 11 - элемент гальванической развязки, 12 - резистор, 13 - корректирующая RC-цепь, 14 - диод, 15 - транзистор, 16 - конденсатор, 17 - резистор.In FIG. and the following notation is used in the text: 1 - regulator block, 2 - primary power supply, 3 - transformer, 4 - first rectifier, 5 - second rectifier, 6 - output filter, 7 - load, 8 - second filter, 9 - control unit 10 — mismatch signal amplifier, 11 — galvanic isolation element, 12 — resistor, 13 — RC correction circuit, 14 — diode, 15 — transistor, 16 — capacitor, 17 — resistor.

Устройство содержит блок регулятора 1, вход которого подключен к выходу первичного источника питания 2, выход подключен ко входу трансформатора 3. Первый выход трансформатора 3 подключен к первому выпрямителю 4, а второй подключен ко входу второго выпрямителя 5, выход первого выпрямителя 4 через выходной фильтр 6 подключен к нагрузке 7. Выход второго выпрямителя 5 подключен к второму фильтру 8. Выход блока управления 9 подключен к управляющему входу блока регулятора 1. Выводы питания блока управления 9 подключены к вспомогательному фильтру 8. Вход усилителя сигнала рассогласования 10 подключен к выходу преобразователя. Выход усилителя 10 подключен ко входу элемента гальванической развязки 11. Первый вывод выхода элемента гальванической развязки 11 подключен через резистор 12 к выходу второго фильтра 8, а второй - к общему выводу блока управления 9. Первый вывод корректирующей RC-цепи 13 подключен к модулирующему входу блока управления 9, а второй - к его общему выводу. Первый вывод выхода элемента гальванической развязки 11 подключен к модулирующему входу блока управления 9 через диод 14. Коллектор транзистора 15 подключен к выходу второго фильтра 8. Эмиттер транзистора 15 подключен к модулирующему входу блока управления 9. База транзистора 15 через конденсатор 16 подключена к первому выводу выхода элемента гальванической развязки 11. Переход база-эмиттер транзистора 15 зашунтирован резистором 17. Первый вывод элемента гальванической развязки 11 соединен со входом блока управления 9 через диод 14.The device contains a controller unit 1, the input of which is connected to the output of the primary power source 2, the output is connected to the input of the transformer 3. The first output of the transformer 3 is connected to the first rectifier 4, and the second is connected to the input of the second rectifier 5, the output of the first rectifier 4 through the output filter 6 connected to the load 7. The output of the second rectifier 5 is connected to the second filter 8. The output of the control unit 9 is connected to the control input of the regulator unit 1. The power supply terminals of the control unit 9 are connected to the auxiliary filter 8. In d mismatch signal amplifier 10 is connected to the output of the converter. The output of the amplifier 10 is connected to the input of the galvanic isolation element 11. The first output of the output of the galvanic isolation element 11 is connected through a resistor 12 to the output of the second filter 8, and the second to the common output of the control unit 9. The first output of the corrective RC circuit 13 is connected to the modulating input of the block management 9, and the second - to its general conclusion. The first output terminal of the galvanic isolation element 11 is connected to the modulating input of the control unit 9 through the diode 14. The collector of the transistor 15 is connected to the output of the second filter 8. The emitter of the transistor 15 is connected to the modulating input of the control unit 9. The base of the transistor 15 is connected to the first output terminal of the output galvanic isolation element 11. The base-emitter junction of transistor 15 is shunted by resistor 17. The first output of galvanic isolation element 11 is connected to the input of control unit 9 through a diode 14.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Напряжение первичного источника питания 2 поступает на блок регулятора 1, который осуществляет переключения трансформатора 3. Управляющие импульсы поступают на блок регулятора 1 от блока управления 9. Импульсы напряжения от первого выхода трансформатора 3 поступают на первый выпрямитель 4 и затем на выходной фильтр 6 и нагрузку 7.The voltage of the primary power source 2 is supplied to the block of the regulator 1, which transfers the transformer 3. The control pulses are supplied to the block of the regulator 1 from the control unit 9. The voltage pulses from the first output of the transformer 3 are supplied to the first rectifier 4 and then to the output filter 6 and the load 7 .

Для электропитания блока управления 9 используется второй выход трансформатора 3, к которому подключен второй выпрямитель 5 и второй фильтр 8. Напряжение на выходе преобразователя контролируется усилителем сигнала рассогласования 10, имеющем в своем составе источник опорного напряжения. Выход усилителя сигнала рассогласования 10 подключен ко входной цепи элемента гальванической развязки 11, первый вывод его выходной цепи через резистор 12 подключен к шине питания блока управления 9 и через диод 14 к модулирующему входу.To power the control unit 9, the second output of the transformer 3 is used, to which the second rectifier 5 and the second filter are connected 8. The voltage at the output of the converter is controlled by the error signal amplifier 10, which includes a reference voltage source. The output of the amplifier of the error signal 10 is connected to the input circuit of the galvanic isolation element 11, the first output of its output circuit through the resistor 12 is connected to the power bus of the control unit 9 and through the diode 14 to the modulating input.

Изменение сопротивления выходной цепи элемента гальванической развязки 11 приводит к изменению напряжения на модулирующем входе. Блок управления 9, в зависимости от алгоритма построения, формирует выходные импульсы с тем или иным видом модуляции (ШИМ, ЧИМ). Если выходное напряжение или ток нагрузки изменяются медленно, то транзистор выходной цепи элемента гальванической развязки 11 находится в линейном режиме. При скачкообразном изменении тока нагрузки усилитель сигнала рассогласования 10 и элемент гальванической развязки 11 реагируют на отклонения выходного напряжения практически мгновенно. В случае возникновения всплеска выходного напряжения транзистор выходной цепи элемента гальванической развязки 11 отпирается, и через диод 14 быстро разряжается конденсатор корректирующей цепи 13. Это приводит к быстрому уменьшению напряжения на модулирующем входе блока управления 9 и, соответственно, быстрой реакции контура обратной связи. При этом всплеск выходного напряжения незначителен (Фиг.2,а).Changing the resistance of the output circuit of the galvanic isolation element 11 leads to a change in voltage at the modulating input. The control unit 9, depending on the construction algorithm, generates output pulses with one or another type of modulation (PWM, PFM). If the output voltage or load current changes slowly, then the transistor of the output circuit of the galvanic isolation element 11 is in a linear mode. When the load current changes abruptly, the mismatch signal amplifier 10 and the galvanic isolation element 11 respond to deviations of the output voltage almost instantly. In the event of a surge in the output voltage, the transistor of the output circuit of the galvanic isolation element 11 is unlocked, and the correction capacitor 13 is quickly discharged through the diode 14. This leads to a rapid decrease in the voltage at the modulating input of the control unit 9 and, accordingly, a fast response of the feedback loop. When this surge in output voltage is negligible (Figure 2, a).

В случае возникновения провала выходного напряжения выходной транзистор элемента гальванической развязки 11 запирается. При отсутствии транзистора 15 конденсатор корректирующей RC-цепи 13 начинает заряжаться или через внутренние цепи блока управления 9, или через резистор, подключенный к шине питания этого блока (см.[3], R15). Напряжение на моделирующем входе лока управления 9 начинает возрастать, а на выходе преобразователя возникает неприемлемо большой провал напряжения (Фиг.2,а).In the event of a dip in the output voltage, the output transistor of the galvanic isolation element 11 is locked. In the absence of a transistor 15, the capacitor of the correction RC circuit 13 starts to be charged either through the internal circuits of the control unit 9, or through a resistor connected to the power bus of this unit (see [3], R15). The voltage at the modeling input of the control lock 9 begins to increase, and an unacceptably large voltage drop occurs at the output of the converter (Figure 2, a).

При введении транзистора 15 в случае запирания выходного транзистора элемента гальванической развязки 11 на коллекторе последнего резко возрастает напряжение. Импульсом, проходящим через конденсатор 16, транзистор 15 отпирается и напряжение на модулирующем входе блока управления 9 форсированно возрастает. Это приводит к многократному уменьшению провала выходного напряжения.With the introduction of the transistor 15 in the case of locking the output transistor of the galvanic isolation element 11 on the collector of the latter, the voltage increases sharply. By a pulse passing through the capacitor 16, the transistor 15 is unlocked and the voltage at the modulating input of the control unit 9 increases forcibly. This leads to a multiple decrease in the output voltage dip.

Таким образом, транзистор 15 отпирается только в момент запирания выходного транзистора элемента гальванической развязки 11, т.е. при размыкании контура обратной связи. При замкнутом контуре обратной связи через диод 14 постоянно протекает ток, транзистор 15 заперт, а конденсатор 16 заряжен до напряжения, соответствующего падению напряжения на диоде 14. Если напряжение на коллекторе выходного транзистора элемента гальванической развязки 11 резко возрастает, то напряжение на конденсаторе 16 способствует форсированному отпиранию транзистора 15.Thus, the transistor 15 is unlocked only at the time of locking the output transistor of the galvanic isolation element 11, i.e. when opening the feedback loop. With a closed feedback loop, current flows continuously through the diode 14, the transistor 15 is locked, and the capacitor 16 is charged to a voltage corresponding to the voltage drop across the diode 14. If the voltage at the output transistor collector of the galvanic isolation element 11 increases sharply, then the voltage on the capacitor 16 contributes to the forced unlocking transistor 15.

Блок управления может быть построен таким образом, что транзистор выходной цепи элемента гальванической развязки эмиттером подключается к модулирующему входу (см.[1]). Для этого случая вариант исполнения введенного узла схемы показан на фиг.3.The control unit can be constructed in such a way that the transistor of the output circuit of the galvanic isolation element by the emitter is connected to the modulating input (see [1]). For this case, an embodiment of the introduced circuit assembly is shown in FIG. 3.

Процессы в схеме протекают аналогично вышеописанным.The processes in the circuit proceed similarly to the above.

В настоящее время изготовлены и эксплуатируются 20 преобразователей с использованием предложенного решения. В частности в преобразователе с входным напряжением (36...72) В и выходными параметрами 5 В, 10 А с частотой коммутации 200 кГц и внутренней подгрузке 0,1 А, при скачкообразном изменении тока нагрузки от нулевого значения до 10 А провал напряжения составлял 2,5 В. При введении предлагаемого узла провал напряжения уменьшился до 0,15 В, что позволяет использовать преобразователь для электропитания микропроцессорных устройств.Currently, 20 converters are manufactured and operated using the proposed solution. In particular, in a converter with an input voltage (36 ... 72) V and output parameters of 5 V, 10 A with a switching frequency of 200 kHz and an internal load of 0.1 A, with a step-like change in the load current from zero to 10 A, the voltage drop was 2.5 V. With the introduction of the proposed site, the voltage drop decreased to 0.15 V, which allows the converter to be used to power microprocessor devices.

Источники информацииInformation sources

1. Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. Справочник. М.: "Додэка-XXI", 2001, стр.482, рис.1.1. Microcircuits for switching power supplies and their application. Directory. M .: Dodeka-XXI, 2001, p. 482, Fig. 1.

2. Патент 2249905, Н02М 3/3 35.2. Patent 2249905, Н02М 3/3 35.

3. И.М.Готтлиб. Источники питания. М.: Постмаркет, 2000, стр.462, 463.3. I.M. Gottlieb. Power supplies. M .: Postmarket, 2000, p. 462, 463.

Claims

A stabilized voltage converter containing a regulator block, the input of which is connected to the output of the primary power source, the output is connected to the input of the transformer, the first and second outputs of the transformer are connected respectively to the input of the first and second rectifier, the output of the first rectifier through the output filter is connected to the load, the output of the second rectifier connected to the second filter, the control unit, the output of which is connected to the control input of the regulator unit, and the power leads to the outputs of the second filter, will amplify For the mismatch signal, the input connected to the output of the converter, and the output to the input of the galvanic isolation element, one output terminal of which through a resistor, and the second directly connected to the power supply terminals of the control unit, which corrects the RC circuit, the first output of which is connected to the input of the control unit, and the second to its general output, characterized in that a transistor is inserted into it, the collector of which is connected to the output of the second filter, the base of the transistor is connected through a capacitor to the output terminal of the element junction, connected to the input of the control unit through a diode, and the emitter of the transistor is connected to the input of the control unit, the base-emitter junction of the transistor is shunted by a resistor.