RU2476980C1

RU2476980C1 - Dc voltage converter

Info

Publication number: RU2476980C1
Application number: RU2011137714/07A
Authority: RU
Inventors: Владимир Яковлевич Грошев
Original assignee: Владимир Яковлевич Грошев
Priority date: 2011-09-13
Filing date: 2011-09-13
Publication date: 2013-02-27

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: device comprises two key elements, control inputs of which are connected to a unit for generation of anti-phased control pulses, and also a double-stroke switchboard, differing by the fact that it additionally contains two throttles not connected inductively, each of which is made with a tap, besides, the first lead of each throttle is connected with a power supply bus, two remaining leads of the first throttle are connected accordingly with the output of the first key and the input of the first arm of the double-stroke switchboard, and two remaining leads of the second throttle are connected accordingly with the output of the second key and with the input of the second arm of the double-stroke switchboard.

EFFECT: higher efficiency of a step-up double-stroke converter when used as a source of power supply for elements that limit voltage.

2 dwg

Description

Предлагаемое устройство относится к конвертерам постоянного напряжения и предназначено для использования в качестве повышающего преобразователя напряжение - ток. Основная область применения - создание вторичных источников питания оптоэлектронных устройств.The proposed device relates to DC voltage converters and is intended for use as a voltage-current converter. The main field of application is the creation of secondary power sources for optoelectronic devices.

Известны однотактные преобразователи постоянного напряжения в постоянный ток - см., например, рис.22.4 в книге Р.Граф. «Электронные схемы. 1300 примеров», М.: Мир, 1989 г.Single-cycle DC-DC to DC converters are known - see, for example, Fig. 22.4 in the book of R. Graf. “Electronic circuits. 1300 examples ”, Moscow: Mir, 1989.

Достоинством устройств такого типа является их простота, а также возможность их использования в зависимости от способа включения индуктивности в качестве источников тока для нагрузок, падение напряжения на которых может быть как меньше, так и больше напряжения питающего преобразователь первичного источника. Причем, если такой преобразователь выполняет функцию понижающего конвертера или повышающего с небольшим коэффициентом трансформации (существенно меньшим двух), продолжительность отсутствия выходного тока в течение периода преобразования оказывается небольшой или равной нулю и среднее за период значение выходного тока примерно равно половине его максимального значения. Однако при существенном повышении входного напряжения в течение большей части периода преобразования выходной ток отсутствует, причем длительность этой части определяется отношением напряжений на выходе и на входе преобразователя. Из-за этого среднее значение выходного тока оказывается меньше максимального тока через индуктивность не в 2, а в несколько раз, причем это уменьшение можно скомпенсировать только путем увеличения максимального тока через индуктивность. Поэтому при коэффициенте трансформации по напряжению, к примеру, всего 2 (т.е. в случае, когда напряжение ограничения нагрузки относительно общей шины примерно вдвое выше напряжения первичного источника), величина максимального тока через индуктивность и через нагрузку в 4 раза превышает среднее значение выходного тока, что приводит к существенному увеличению потерь мощности на нелинейных активных сопротивлениях схемы и к удвоению перегрузочного тока через элементы нагрузки.The advantage of devices of this type is their simplicity, as well as the possibility of their use, depending on the method of including inductance as current sources for loads, the voltage drop on which can be either less or more than the voltage of the primary converter supply. Moreover, if such a converter performs the function of a step-down converter or step-up with a small transformation ratio (substantially less than two), the duration of the absence of output current during the conversion period turns out to be small or equal to zero and the average value of the output current for the period is approximately equal to half its maximum value. However, with a significant increase in the input voltage during most of the conversion period, the output current is absent, and the duration of this part is determined by the ratio of the voltages at the output and at the input of the converter. Because of this, the average value of the output current is less than the maximum current through the inductance not 2, but several times, and this decrease can be compensated only by increasing the maximum current through the inductance. Therefore, when the voltage transformation coefficient, for example, is only 2 (i.e., when the load limiting voltage relative to the common busbar is approximately twice as high as the voltage of the primary source), the maximum current through the inductance and through the load is 4 times the average output current, which leads to a significant increase in power losses at nonlinear active resistances of the circuit and to doubling the overload current through the load elements.

Следовательно, однотактные преобразователи недостаточно эффективны при повышении напряжения, особенно при низких входных напряжениях, больших выходных токах и коэффициентах трансформации, превышающих 1,1-1,3. Например, если возникает необходимость повышения светоотдачи путем включения нескольких светодиодов, их нежелательно включать параллельно, поскольку из-за технологического разброса токи через каждый светодиод могут сильно отличаться. Поэтому целесообразно последовательное включение. Однако при этом напряжение ограничения группы светодиодов становится существенно больше напряжения обычно используемых в переносных осветительных устройствах двух батарей и из-за растущей скважности применение однотактных конвертеров становится нежелательным, а увеличение числа батарей делает осветительное устройство неудобным в эксплуатации. Кроме этого, при питании нагрузок с ограниченными перегрузочными возможностями для снижения максимального тока в таких условиях приходится подключать их к выходу конвертера через усредняющий фильтр, который увеличивает объем устройств питания. Это целесообразно, поскольку при значительных перегрузках по току средний световыход обычно уменьшается. Поэтому для увеличения эффективности преобразования, уменьшения перегрузочных токов и увеличения световыхода необходимо по возможности уменьшать интервал отсутствия выходного тока. Иными словами, необходимо по возможности уменьшать скважность преобразования.Therefore, single-cycle converters are not effective enough when the voltage is increased, especially at low input voltages, large output currents and transformation ratios exceeding 1.1-1.3. For example, if there is a need to increase light output by turning on several LEDs, it is undesirable to turn them on in parallel, because due to technological variation, the currents through each LED can differ greatly. Therefore, sequential inclusion is advisable. However, in this case, the voltage limitation of the group of LEDs becomes significantly higher than the voltage commonly used in portable lighting devices of two batteries and due to the increasing duty cycle, the use of single-cycle converters becomes undesirable, and an increase in the number of batteries makes the lighting device inconvenient in operation. In addition, when supplying loads with limited overload capabilities, in order to reduce the maximum current in such conditions, it is necessary to connect them to the converter output through an averaging filter, which increases the volume of power supplies. This is advisable since, with significant overcurrents, the average light output usually decreases. Therefore, to increase the conversion efficiency, reduce overload currents and increase the light output, it is necessary, if possible, to reduce the interval of the absence of output current. In other words, it is necessary to reduce the duty cycle of the conversion whenever possible.

Наиболее простым решением этой задачи является использование двухтактного режима преобразования.The simplest solution to this problem is to use push-pull conversion mode.

Известны конвертеры, работающие в двухтактном режиме и используемые для повышения постоянного напряжения, - это мультивибраторы с трансформаторной нагрузкой, двухтактные блокинг-генераторы, а также двухтактные преобразователи с внешним возбуждением.Known converters operating in push-pull mode and used to increase DC voltage are multivibrators with transformer load, push-pull blocking generators, and push-pull converters with external excitation.

Однако недостатком повышающих двухтактных устройств является использование нагрузочного трансформатора, вследствие чего по выходу эти устройства являются источниками напряжения. Поэтому их нельзя использовать без балластных резисторов для питания оптоэлектронных устройств и прочих нагрузок, ограничивающих напряжение. В результате КПД двухтактных преобразователей оказывается низким, а их применение неэффективным.However, the disadvantage of boosting push-pull devices is the use of a load transformer, as a result of which these devices are voltage sources at the output. Therefore, they cannot be used without ballast resistors to power optoelectronic devices and other voltage-limiting loads. As a result, the efficiency of push-pull converters is low, and their use is ineffective.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, представленное в упомянутой книге на рис.22.1. Это устройство является двухтактным мультивибратором с трансформаторной нагрузкой и содержит два ключевых элемента, входы управления которых подключены к блоку формирования противофазных управляющих импульсов, а их выходы - через первичную обмотку трансформатора соединены с шиной питания. Для получения постоянного напряжения на выходе этого устройства обычно используется двухтактный выпрямитель (коммутатор). Блок формирования противофазных управляющих импульсов представляет собой автоколебательный мультивибратор, который содержит две последовательные RC цепочки, каждая из которых включена между входом одного ключевого элемента и выходом другого.Closest to the proposed device is presented in the aforementioned book in Fig. 22.1. This device is a push-pull multivibrator with transformer load and contains two key elements, the control inputs of which are connected to the block for generating antiphase control pulses, and their outputs are connected through the primary winding of the transformer to the power bus. To obtain a constant voltage at the output of this device, a push-pull rectifier (switch) is usually used. The block for the formation of antiphase control pulses is a self-oscillating multivibrator that contains two consecutive RC circuits, each of which is connected between the input of one key element and the output of the other.

Основным достоинством этого устройства является практически полное отсутствие скважности выходного напряжения. Соответственно, выходной ток через резистивные нагрузки с выхода двухтактного коммутатора является практически неразрывным и постоянным по величине.The main advantage of this device is the almost complete absence of output voltage duty cycle. Accordingly, the output current through resistive loads from the output of the push-pull switch is practically inextricable and constant in magnitude.

Недостатком же является невозможность использования таких устройств в качестве источника тока, поскольку нагрузкой преобразователя является трансформатор, вследствие чего невозможно использовать его без балластных резисторов для питания светодиодов и прочих электронных компонентов, ограничивающих напряжение.The disadvantage is the impossibility of using such devices as a current source, since the load of the converter is a transformer, so it is impossible to use it without ballast resistors to power the LEDs and other electronic components that limit the voltage.

Задачей настоящего изобретения является увеличение эффективности повышающего двухтактного преобразователя при его использовании в качестве источника питания для элементов, ограничивающих напряжение.An object of the present invention is to increase the efficiency of a boost push-pull converter when used as a power source for voltage limiting elements.

С этой целью в конвертер, содержащий два ключевых элемента, входы управления которых подключены к блоку формирования противофазных управляющих импульсов, а также двухтактный коммутатор, введены дополнительно два индуктивно не связанных дросселя, каждый из которых выполнен с отводом, причем первый вывод каждого дросселя соединен с шиной питания, два оставшихся вывода первого дросселя соединены соответственно с выходом первого ключа и с первым входом двухтактного коммутатора, а два оставшихся вывода второго дросселя соединены соответственно с выходом второго ключа и с вторым входом двухтактного коммутатора.For this purpose, an additional two inductively unconnected inductors are introduced into the converter, which contains two key elements, the control inputs of which are connected to the block for generating the out-of-phase control pulses, as well as a push-pull switch, each of which is tap-off, the first output of each inductor connected to the bus power supply, the two remaining pins of the first inductor are connected respectively to the output of the first key and to the first input of the push-pull switch, and the two remaining pins of the second inductor are connected respectively venno with the output of the second key and the second input of the push-pull switch.

Принципиальная схема наиболее простого варианта заявляемого устройства для случая, когда напряжение ограничения нагрузки более чем в 2 раза превышает напряжение первичного источника, представлена на фиг.1. Устройство с синхронным детектированием и более высоким КПД представлено на фиг.2.Schematic diagram of the simplest version of the claimed device for the case when the load limiting voltage is more than 2 times higher than the voltage of the primary source, is presented in figure 1. A device with synchronous detection and higher efficiency is presented in figure 2.

Заявляемое устройство содержит два ключевых транзистора 1, 2, блок формирования противофазных управляющих импульсов 3, первый и второй дроссели 4, 5, а также двухтактный коммутатор 6.The inventive device contains two key transistors 1, 2, a block forming antiphase control pulses 3, the first and second chokes 4, 5, as well as a push-pull switch 6.

Устройство работает следующим образом. Очевидно, что ключевые транзисторы 1, 2 и блок формирования противофазных управляющих импульсов 3 функционируют как обычный мультивибратор повышенной мощности. Отличие проявляется в моменты размыкания любого из транзисторных ключей 1, 2. Поскольку дроссели 4, 5 не связаны между собой индуктивно, форма напряжения на одном дросселе никак не связана с формой напряжения на другом. Вследствие этого, хотя один из транзисторных ключей находится в насыщении, дроссель, подключенный к выходу второго ключа, уже может быть полностью разряжен, напряжение на нем становится равным напряжению первичного источника и в таком состоянии остается вплоть до смены состояния транзисторных ключей 1, 2. Непрерывность тока через нагрузку в такой схеме обеспечивается, если напряжение на выходе двухтактного коммутатора 6 относительно общей шины при использовании двухвыводных дросселей (т.е. таких, у которых отвод и один вывод совпадают) будет не меньше удвоенного напряжения первичного источника, поскольку в таком случае время заряда и время разряда обоих дросселей оказывается одинаковым. При выполнении такого условия пока один из дросселей заряжается от первичного источника, другой разряжается на нагрузку. Такой режим является основным режимом работы заявляемого устройства, при котором обеспечивается непрерывность тока в нагрузке и минимальное значение перегрузочного тока. Причем в предлагаемом составе признаков заявляемое устройство выполняет функцию преобразования напряжения в ток, поэтому к его выходу можно подключать ограничители напряжения любого типа без балластных резисторов и без соответствующих потерь мощности. Временные параметры преобразования, а также выходная мощность, определяются, в основном, параметрами RC цепей блока формирования управляющих импульсов 3.The device operates as follows. It is obvious that the key transistors 1, 2 and the block for the formation of antiphase control pulses 3 function as a normal multivibrator of increased power. The difference appears at the moments of opening of any of the transistor switches 1, 2. Since the reactors 4, 5 are not inductively connected to each other, the voltage shape on one inductor is not connected in any way with the voltage form on the other. As a result of this, although one of the transistor switches is saturated, the inductor connected to the output of the second switch can already be completely discharged, the voltage on it becomes equal to the voltage of the primary source and remains in this state until the state of the transistor switches 1, 2 changes. Continuity the current through the load in such a circuit is provided if the voltage at the output of the push-pull switch 6 relative to the common bus when using two-output reactors (i.e. those with the tap and one pin coincide) is It is not less than twice the voltage of the primary source, since in such a case, the charge time and discharge time both throttles is identical. When this condition is met, while one of the chokes is charged from the primary source, the other is discharged to the load. This mode is the main mode of operation of the inventive device, which ensures the continuity of the current in the load and the minimum value of the overload current. Moreover, in the proposed composition of the features, the claimed device performs the function of converting voltage to current, therefore, voltage limiters of any type without ballast resistors and without corresponding power losses can be connected to its output. The time parameters of the conversion, as well as the output power, are determined mainly by the parameters of the RC circuits of the control pulse generation unit 3.

При использовании нагрузок с более высоким напряжением ограничения ток через нагрузку и напряжение на ней становятся прерывистыми, т.е. появляется скважность и, соответственно, мощность в нагрузке уменьшается, хотя в равных условиях интервалы отсутствия выходного тока остаются меньшими, чем у однотактного аналога, и заявляемое устройство остается более эффективным.When using loads with a higher voltage limiting current through the load and the voltage on it become intermittent, i.e. the duty cycle appears and, accordingly, the power in the load decreases, although under equal conditions the intervals of the absence of the output current remain smaller than that of the single-cycle analog, and the inventive device remains more efficient.

Однако, если отношение напряжения ограничения нагрузки и напряжения первичного источника отличаются существенно (например, в 3 и более раз), из-за появляющейся скважности среднее значение выходного тока через нагрузку также существенно уменьшается. Для компенсации необходимо увеличивать максимальный ток заряда через каждый дроссель 4, 5, а это приводит к увеличению перегрузочного тока через нагрузку. Поэтому для поддержания на выходе непрерывного тока предлагается использовать дроссели с отводом, каждый из которых выполняет функции повышающего автотрансформатора.However, if the ratio of the load limiting voltage to the primary source voltage differs significantly (for example, by 3 or more times), due to the appearing duty cycle, the average value of the output current through the load also decreases significantly. To compensate, it is necessary to increase the maximum charge current through each inductor 4, 5, and this leads to an increase in the overload current through the load. Therefore, to maintain a continuous current output, it is proposed to use chokes with a tap, each of which performs the functions of a step-up autotransformer.

Аналогично, при отношении напряжений ограничения нагрузки и напряжения первичного источника меньше 2, дроссели 4, 5 включаются понижающими автотрансформаторами. Причем всегда возможно выбрать параметры автотрансформаторов таким образом, чтобы через нагрузку протекал непрерывный минимально необходимый ток. Для этого коэффициент передачи автотрансформатора выбирается таким образом, чтобы при данном напряжении ограничения нагрузки максимальное напряжение на коллекторе разомкнутого ключа было примерно вдвое больше напряжения первичного источника.Similarly, when the ratio of the load limiting voltage and the voltage of the primary source is less than 2, the chokes 4, 5 are turned on by step-down autotransformers. Moreover, it is always possible to select the parameters of autotransformers in such a way that a continuous minimum required current flows through the load. For this, the autotransformer transfer coefficient is selected so that, for a given load limiting voltage, the maximum voltage on the open key collector is approximately twice the voltage of the primary source.

Для выполнения этого условия при подключенной к общей шине нагрузке коэффициент трансформации каждого дросселя определяется следующим образом:To fulfill this condition, when the load is connected to the common bus, the transformation coefficient of each inductor is determined as follows:

где n₀ - число витков основной обмотки дросселя, включенной между шиной питания и коллектором ключевого транзистора; n₁ - число витков дросселя до отвода; U_огp - напряжение ограничения нагрузки, включающее падение напряжения на элементах двухтактного коммутатора 6; U₁ - напряжение первичного источника. Также возможно использовать заявляемый преобразователь для питания нагрузок, напряжение ограничения которых меньше напряжения первичного источника, подключая их между положительной шиной первичного источника питания и выходом преобразователя.where n ₀ is the number of turns of the main winding of the inductor connected between the power bus and the collector of the key transistor; n ₁ - the number of turns of the throttle to the exhaust; U _ogp - voltage load limitation, including the voltage drop on the elements of the push-pull switch 6; U ₁ is the voltage of the primary source. It is also possible to use the inventive converter for supplying loads whose limiting voltage is less than the voltage of the primary source, connecting them between the positive bus of the primary power source and the output of the converter.

Если напряжение на нагрузке приблизительно вдвое выше напряжения первичного источника, автотрансформаторы вырождаются в обычные дроссели без отводов. Однако в ряде случаев возможно использовать обычные дроссели и при другом соотношении между входным и выходным напряжениями преобразователя. Например, при питании белых мощных светодиодов с U_огр=3,5 В от двух батарей с суммарным напряжением 3 В можно включить светодиод между положительной шиной первичного источника питания и клеммой I_OUT, а два таких светодиода подключаются между этой же клеммой и общей шиной. В таком же включении предлагаемый конвертер позволяет осуществить высокоэффективное питание мощных светодиодов с U_огр=4 В от двух аккумуляторов с суммарным минимальным напряжением 2 В и даже от одного химического элемента с напряжением 1,5 В. При использовании дросселей без отводов недопустима лишь ситуация, когда выходное напряжение оказывается больше первичного, но существенно меньше удвоенного входного (относительно общей шины), т.к. это приводит к резкому ухудшению КПД из-за появления неиспользуемого тока через первичный источник питания. В такой ситуации более целесообразно использование в заявляемом устройстве дросселей с отводами.If the voltage at the load is approximately twice as high as the voltage of the primary source, autotransformers degenerate into conventional chokes without taps. However, in some cases it is possible to use conventional chokes with a different ratio between the input and output voltages of the converter. For example, when powering white high-power LEDs with U _og = 3.5 V from two batteries with a total voltage of 3 V, you can turn on the LED between the positive bus of the primary power supply and the I _{OUT terminal} , and two such LEDs are connected between the same terminal and the common bus. In the same inclusion, the proposed converter allows highly efficient power supply of high-power LEDs with U _ogr = 4 V from two batteries with a total minimum voltage of 2 V and even from a single chemical element with a voltage of 1.5 V. When using chokes without taps, only the situation when the output voltage is greater than the primary, but significantly less than twice the input (relative to the common bus), because this leads to a sharp deterioration in efficiency due to the appearance of unused current through the primary power source. In such a situation, it is more advisable to use inductors with bends in the claimed device.

Использование предлагаемого технического решения позволяет преобразовать светодиодные излучатели в элементы, которые можно питать как от источников напряжения, так и от источников тока, т.е. эксплуатировать их точно так же, как обычные лампы накаливания, включая их как параллельно, так и последовательно, причем при условии минимальных перегрузочных токов. Минимизация перегрузочных токов позволяет обслуживать оптоэлектронные устройства без дополнительных фильтров, в результате чего обеспечивается минимальный объем устройства при высокой надежности источников света в целом.Using the proposed technical solution allows us to convert LED emitters into elements that can be powered by voltage sources as well as current sources, i.e. operate them in the same way as ordinary incandescent lamps, including them both in parallel and in series, and subject to minimum overload currents. Minimizing overload currents allows servicing optoelectronic devices without additional filters, as a result of which the minimum volume of the device is ensured with high reliability of light sources in general.

Claims

A DC voltage converter containing two key elements, the control inputs of which are connected to the block for generating antiphase control pulses, as well as a push-pull switch, characterized in that two additional inductively unconnected chokes are introduced into it, each of which is made with a tap, and the first output of each the inductor is connected to the power bus, the two remaining outputs of the first inductor are connected respectively to the output of the first key and the input of the first arm of the push-pull switch, and the two remaining A output of the second inductor are connected respectively with the output of the second switch and to the input of the second arm of a two-stroke switch.