RU2775297C1 - Method and device for switching supply voltage - Google Patents
Method and device for switching supply voltage Download PDFInfo
- Publication number
- RU2775297C1 RU2775297C1 RU2022103168A RU2022103168A RU2775297C1 RU 2775297 C1 RU2775297 C1 RU 2775297C1 RU 2022103168 A RU2022103168 A RU 2022103168A RU 2022103168 A RU2022103168 A RU 2022103168A RU 2775297 C1 RU2775297 C1 RU 2775297C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- supply voltage
- voltage
- bus
- switch
- output
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000002955 isolation Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 9
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 3
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 230000000903 blocking Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000004059 degradation Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Способ коммутации напряжения питания и устройство коммутатор напряжения питания относятся к области электронной техники и могут быть использованы в схемах, где требуется коммутация напряжения на нагрузку с гальванической развязкой общего первичного источника питания от двух выходных шин устройства в выключенном состоянии. Кроме того, способ и комплект из двух данных устройств могут быть использованы в резервированных системах управления, например, космическими аппаратами, где требуется обеспечение функционирования хотя бы одного резерва системы с холодным резервированием при допустимости отказа любого одного элемента в тракте какого-либо резерва.The method of switching the supply voltage and the device switching the supply voltage belong to the field of electronic engineering and can be used in circuits where it is required to switch the voltage to the load with galvanic isolation of the common primary power source from the two output buses of the device in the off state. In addition, the method and a set of two of these devices can be used in redundant control systems, for example, spacecraft, where it is required to ensure the operation of at least one reserve of a cold redundant system with the admissibility of failure of any one element in the path of any reserve.
Уровень техникиState of the art
Известен коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току [1]. В рамках рассмотрения его части в качестве аналога согласно цели и объема решаемых задач предлагаемым техническим решением коммутатор напряжения содержит вход включения коммутатора напряжения, вход выключения коммутатора напряжения, триггер, электронный ключ, блок нагрузки, две шины напряжения питания. Способ коммутации напряжения на нагрузке при этом заключается в том, что для включения устройства импульсный сигнал включения преобразуют в сигнал постоянного уровня с помощью RS триггера. Этим сигналом постоянного уровня открывают электронный ключ, который устанавливают между одной входной шиной питания и блоком нагрузки. Другой вывод блока нагрузки соединяют с другой входной шиной питания. Для выключения устройства импульсным сигналом выключения устанавливают RS триггер в исходное состояние, которое обеспечивает выключенное состояние коммутатора.Known voltage switch with protection against overcurrent [1]. As part of considering its part as an analogue, according to the purpose and scope of the tasks to be solved, the proposed technical solution contains a voltage switch on input, a voltage switch off input, a trigger, an electronic key, a load unit, two supply voltage buses. The method of switching the voltage on the load in this case consists in the fact that to turn on the device, the turn-on pulse signal is converted into a constant level signal using an RS trigger. This constant level signal opens an electronic key, which is installed between one input power bus and the load unit. The other output of the load block is connected to another input power bus. To turn off the device with a shutdown pulse signal, the RS flip-flop is set to its initial state, which ensures the switched off state.
Коммутатор напряжения обеспечивает подключение блока нагрузки по импульсным сигналам на входах включения и выключения коммутатора напряжения.The voltage switch ensures the connection of the load unit by pulse signals at the inputs for switching on and off the voltage switch.
Недостатки способа и устройства - коммутатор напряжения состоят в том, что они не обеспечивают полную гальваническую развязку блока нагрузки от шин напряжения питания при поступлении импульсного сигнала на вход выключения коммутатора напряжения. Другим недостатком этого коммутатора является низкая надежность вследствие потери работоспособности при отказе любого элемента коммутатора напряжения. Кроме того, для обеспечения работоспособности коммутатора напряжения необходим, например, дополнительный источник питания элементов управления электронным ключом, или элементы управления постоянно подключены к первичному источнику питания, что также является недостатком способа и устройства.The disadvantages of the method and device - voltage switch are that they do not provide complete galvanic isolation of the load unit from the supply voltage buses when a pulse signal is received at the input of the voltage switch off. Another disadvantage of this switch is low reliability due to loss of operability in case of failure of any element of the voltage switch. In addition, to ensure the operability of the voltage switch, for example, an additional power source for the control elements of the electronic key is required, or the control elements are permanently connected to the primary power source, which is also a disadvantage of the method and device.
ПрототипPrototype
Из известных аналогов наиболее близкими по технической сущности являются способ коммутации напряжения питания и устройство для его осуществления, представленные в патенте [2]. Оптоэлектронное реле питания резервированных систем, содержит шину включения, две шины выключения, первый общий вывод сигнала выключения, второй общий вывод сигнала выключения, формирователь тока, схему соединения оптронов, четыре оптрона, последовательно соединенные первую входную шину, цепь коммутации первого оптрона, цепь коммутации второго оптрона, первую выходную шину, а также последовательно соединенные вторую входную шину, цепь коммутации третьего оптрона, цепь коммутации четвертого оптрона, вторую выходную шину, причем аноды и катоды светодиодов каждого оптрона соединены с соответствующими входами схемы соединения оптронов, выход формирователя тока соединен с токовым входом схемы соединения оптронов, а также устройство содержит два ключа, аналоговое ИЛИ, причем шина включения соединена с первым входом аналогового ИЛИ, второй вход которого соединен с первой выходной шиной, первый и второй ключи включены параллельно, вход управления первого ключа соединен с первой шиной выключения, вход управления второго ключа соединен со второй шиной выключения, формирователь тока включен между токовым входом схемы соединения оптронов и выходом аналогового ИЛИ, токовый выход схемы соединения оптронов соединен со второй выходной шиной, первый общий вывод сигнала выключения при исполнении ключей на транзисторах соединен с точкой соединения первого ключа и второй выходной шиной, второй общий вывод сигнала выключения соединен с точкой соединения второго ключа и второй выходной шиной, а при исполнении ключей на оптронах первый общий вывод сигнала выключения соединен с другим входом управления первого ключа, второй общий вывод сигнала выключения соединен с другим входом управления второго ключа.Of the known analogues, the closest in technical essence are the method of switching the supply voltage and the device for its implementation, presented in the patent [2]. Optoelectronic power relay for redundant systems, contains an enable bus, two shutdown buses, the first common output of the shutdown signal, the second common output of the shutdown signal, a current driver, an optocouplers connection circuit, four optocouplers connected in series with the first input bus, the switching circuit of the first optocoupler, the switching circuit of the second optocoupler, the first output bus, as well as the second input bus connected in series, the switching circuit of the third optocoupler, the switching circuit of the fourth optocoupler, the second output bus, moreover, the anodes and cathodes of the LEDs of each optocoupler are connected to the corresponding inputs of the optocoupler connection circuit, the output of the current shaper is connected to the current input optocoupler connection circuits, and the device contains two switches, an analog OR, with the enable bus connected to the first input of the analog OR, the second input of which is connected to the first output bus, the first and second switches are connected in parallel, the control input of the first switch is connected to the first shutdown bus i, the control input of the second switch is connected to the second shutdown bus, the current shaper is connected between the current input of the optocouplers connection circuit and the analog OR output, the current output of the optocouplers connection circuit is connected to the second output bus, the first common output of the shutdown signal when the keys are made on transistors is connected to the point connection of the first key and the second output bus, the second common output of the shutdown signal is connected to the connection point of the second switch and the second output bus, and when the keys are made on optocouplers, the first common output of the shutdown signal is connected to another control input of the first switch, the second common output of the shutdown signal is connected to another control input of the second key.
Способ коммутации напряжения (на нагрузке) прототипа заключается в том, что в каждой силовой шине напряжения питания устанавливают последовательно пару силовых ключей (цепи коммутации оптронов), для включения устройства подают импульсный сигнал (ток) на вход управления (светодиод оптрона) каждого силового ключа, далее на эти входы подают сигналы постоянного уровня (ток), для выключения устройства блокируют сигналы постоянного уровня, блокировку осуществляют по двум дублированным цепям, сигналы постоянного уровня представлены в виде тока I=(Uвых-U4св)/R, который вырабатывают формирователем тока из выходного напряжения Uвых устройства с учетом падения напряжения U4св на светодиодах оптронов и сопротивления R формирователя тока, импульсный сигнал включения также формируют в виде тока с амплитудой Iимп≈I.The method of switching the voltage (at the load) of the prototype consists in the fact that in each power bus of the supply voltage a pair of power switches (optocouplers switching circuit) is installed in series, to turn on the device, a pulse signal (current) is applied to the control input (optocoupler LED) of each power switch, further, constant level signals (current) are applied to these inputs, to turn off the device, constant level signals are blocked, blocking is carried out in two duplicated circuits, constant level signals are presented in the form of current I = (U out -U 4sv ) / R, which is generated by a current shaper from the output voltage U out of the device, taking into account the voltage drop U 4sv on the LEDs of the optocouplers and the resistance R of the current shaper, the turn-on pulse signal is also formed in the form of a current with an amplitude I imp ≈I.
В приведенном выше описании способа прототипа использована расширенная трактовка его терминов для их идентичности с терминологией заявляемых устройства и способа, которая не нарушает принципа действия устройства:In the above description of the prototype method, an extended interpretation of its terms is used for their identity with the terminology of the claimed device and method, which does not violate the principle of operation of the device:
- цепи коммутации оптронов заменены на силовые ключи,- switching circuits of optocouplers are replaced by power switches,
- ток заменен на сигнал постоянного уровня (в режиме поддержания Uвых),- the current is replaced by a constant level signal (in the mode of maintaining U out ),
- ток заменен на импульсный сигнал (в режиме включения коммутатора).- the current is replaced by a pulse signal (in the mode of switching on the switch).
Преимуществом способа и устройства является отсутствие в необходимости дополнительного источника питания, повышенная надежность, полное отключение от источника входного напряжения в режиме выключения каждой входной шины.The advantage of the method and device is the absence of the need for an additional power source, increased reliability, complete disconnection from the input voltage source in the off mode of each input bus.
Надежность выключения оптоэлектронного реле питания резервированных систем при одном любом отказе обеспечивается как параллельным включением первого и второго ключей (слаботочных) с соответствующими дублированными цепями их управления по первой и второй шинам выключения, так и тем, что в каждой силовой шине напряжения питания устанавливают последовательно пару силовых ключей.The reliability of turning off the optoelectronic power relay of redundant systems in case of any one failure is ensured both by the parallel connection of the first and second switches (low-current) with the corresponding duplicated circuits for their control along the first and second shutdown buses, and by the fact that a pair of power switches is installed in series in each power bus of the supply voltage. keys.
Надежность обеспечения напряжением питания хотя бы одного резерва системы нагрузки (при двух комплектах устройства) при одном любом отказе в каком-либо одном резерве комплекта оптоэлектронного реле питания резервированных систем обеспечивается совместно с системой управления объекта резервирования, формирующей сигнал по шине включения того или иного исправного резерва устройства. Таким образом, комплект из двух устройств оптоэлектронного реле питания резервированных систем обеспечивает функционирование нагрузки как минимум при одном отказе в любом резерве (совместно с системой управления).Reliability of supplying voltage to at least one reserve of the load system (with two sets of devices) in the event of any one failure in any one reserve of a set of optoelectronic relays for supplying redundant systems is ensured together with the control system of the redundant object, which generates a signal on the bus for switching on one or another serviceable reserve devices. Thus, a set of two optoelectronic power relay devices for redundant systems ensures the operation of the load in case of at least one failure in any reserve (together with the control system).
Недостаток способа и устройства заключаются в низкой технологичности, следующей из принципа действия оптрона - управление его силовой цепью световым потоком. Соответственно невозможно обеспечить изготовление малогабаритного варианта устройства, например, в виде микросборки вследствие проблем изоляции световых потоков оптронов с их исполнением в бескорпусных кристаллах. Применение же в микросборке корпусных оптронов приводит к отсутствию эффективности ее массогабаритных параметров.The disadvantage of the method and device is the low manufacturability resulting from the principle of operation of the optocoupler - the control of its power circuit by the light flux. Accordingly, it is impossible to ensure the manufacture of a small-sized version of the device, for example, in the form of a microassembly due to the problems of isolating the light fluxes of optocouplers with their execution in unpackaged crystals. The use of case optocouplers in a microassembly leads to a lack of efficiency of its weight and size parameters.
В случае силового исполнения коммутатора напряжения питания и соответственно, например, электронного блока его нагрузки номенклатура силовых элементов этих изделий содержит как оптрон коммутатора напряжения питания, так и более распространенный силовой элемент - КМОП транзистор электронного блока нагрузки. Таким образом имеем разнородную по физике функционирования номенклатуру комплектующих. Что также приводит к снижению технологичности.In the case of a power version of the supply voltage switch and, accordingly, for example, the electronic unit of its load, the range of power elements of these products contains both an optocoupler for the supply voltage switch and a more common power element - a CMOS transistor of the electronic load unit. Thus, we have a range of components that is heterogeneous in terms of the physics of functioning. Which also leads to a decrease in manufacturability.
Другой недостаток технологичности заключается в проблемах (или невозможности) использования оптронов в технике специального применения: «… оптоэлектронным устройствам присущи недостатки, обусловленные низкой стойкостью элементов к воздействию ионизирующего излучения, что ограничивает их использование в радиационно стойкой аппаратуре …» [3]. Кроме того, из статьи [4] ОАО Волховского завода полупроводниковых приборов известна долговременная нестабильность параметров оптопар: «… проблемы оптопар как деградация излучательной способности светодиодов и поляризация компаундов, приводящая к утечкам фотоприемника до сих пор не решены …». Это обуславливает низкую надежность оптопар в долговременной перспективе и особенно в условиях воздействия повышенных температур и высокого уровня радиационного фона.Another disadvantage of manufacturability lies in the problems (or impossibility) of using optocouplers in special application technology: “... optoelectronic devices have disadvantages due to the low resistance of elements to ionizing radiation, which limits their use in radiation-resistant equipment ...” [3]. In addition, the long-term instability of optocoupler parameters is known from the article [4] of the JSC Volkhov Semiconductor Plant: “... the problems of optocouplers such as degradation of the emissivity of LEDs and polarization of compounds, leading to leakage of the photodetector, have not yet been resolved ...”. This causes low reliability of optocouplers in the long term, and especially in conditions of exposure to elevated temperatures and a high level of background radiation.
Цель изобретенияPurpose of the invention
Целью изобретения является повышение технологичности. Поставленная цель в заявляемом способе достигается тем, что в одной шине напряжения питания в качестве силовых ключей используют КМОП транзисторы одного типа проводимости, в другой шине напряжения питания в качестве силовых ключей используют КМОП транзисторы другого типа проводимости, импульсы электрических сигналов включения и электрические сигналы постоянного уровня вырабатывают источниками напряжений, при этом формируют положительную полярность напряжения одного импульса электрических сигналов включения, из которого формируют импульсы напряжений Uзи между затвором и истоком каждого КМОП транзистора в одной шине напряжения питания и отрицательную полярность напряжения импульса электрического сигнала включения другого источника, из которого формируют импульсы напряжений Uзи между затвором и истоком каждого КМОП транзистора в другой шине напряжения питания, величину напряжений Uзи устанавливают достаточной для создания открытого состояния перехода сток-исток КМОП транзисторов, напряжения Uconst электрических сигналов постоянного уровня вырабатывают умножением выходного напряжения коммутатора напряжения питания, полярность и уровень двух напряжений Uconst вырабатывают в соответствии с полярностью и уровнем напряжений Uзи для КМОП транзисторов в шинах напряжения питания.The aim of the invention is to improve manufacturability. The goal in the claimed method is achieved by using CMOS transistors of one type of conductivity as power switches in one supply voltage bus, and CMOS transistors of a different conductivity type, pulses of electrical turn-on signals and electrical signals of a constant level are used as power switches in the other supply voltage bus. are generated by voltage sources, at the same time, a positive polarity of the voltage of one pulse of electrical turn-on signals is formed, from which voltage pulses U z between the gate and source of each CMOS transistor in one supply voltage bus are formed, and a negative polarity of the voltage of the pulse of the electrical turn-on signal of another source, from which pulses are formed voltages U zi between the gate and source of each CMOS transistor in another supply voltage bus, the voltage value U zi is set sufficient to create an open state of the drain-source transition of CMOS transistors, voltage The voltages U const of constant level electrical signals are generated by multiplying the output voltage of the supply voltage switch, the polarity and level of the two voltages U const are generated in accordance with the polarity and level of voltages U zi for CMOS transistors in the supply voltage buses.
Поставленная цель в заявляемом устройстве достигается тем, что в него введены второй блок диодов, четыре резистора, блок умножения напряжения, вторая шина включения, в первой шине напряжения питания в качестве силовых ключей используют КМОП транзисторы одного типа проводимости, в другой шине напряжения питания в качестве силовых ключей используют КМОП транзисторы другого типа проводимости, два выхода первого блока диодов соединены соответственно с затворами первого и второго КМОП транзисторов, между затвором и истоком которых включены соответственно первый и второй резисторы, второй вход первого блока диодов соединен с первым выходом блока умножения выходного напряжения, плюсовой и минусовой выводы питания блока умножения напряжения соединены соответственно с выходными шинами, два выхода второго блока диодов соединены соответственно с затворами третьего и четвертого КМОП транзисторов, между затвором и истоком которых включены соответственно третий и четвертый резисторы, первый вход второго блока диодов соединен со второй шиной включения, второй вход второго блока диодов соединен с вторым выходом блока умножения выходного напряжения.The goal in the claimed device is achieved by introducing a second block of diodes, four resistors, a voltage multiplication unit, a second turn-on bus, in the first supply voltage bus, CMOS transistors of the same conductivity type are used as power switches, in the other supply voltage bus as power switches use CMOS transistors of a different type of conductivity, two outputs of the first block of diodes are connected respectively to the gates of the first and second CMOS transistors, between the gate and the source of which the first and second resistors are connected, respectively, the second input of the first block of diodes is connected to the first output of the output voltage multiplying block, the positive and negative terminals of the power supply of the voltage multiplication unit are connected respectively to the output buses, the two outputs of the second diode unit are connected respectively to the gates of the third and fourth CMOS transistors, the third and fourth resistors are connected between the gate and the source, respectively, the first input of the the second diode block is connected to the second switching bus, the second input of the second diode block is connected to the second output of the output voltage multiplying block.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Устройство иллюстрируется фиг. 1 - схема одного варианта коммутатора напряжения питания, фиг. 2 - варианты «А», «Б» исполнения ключа К+, фиг. 3 - схема другого варианта коммутатора напряжения питания (с отдельными источниками сигналов выключения). На фиг. 1 коммутатор напряжения питания содержит последовательно соединенные плюсовую входную шину 1, силовую цепь КМОП транзистора 2 n - типа, силовую цепь КМОП транзистора 3 n - типа, плюсовую выходную шину 4. Между затвором и истоком КМОП транзистора 2 и КМОП транзистора 3 включены соответственно резисторы 5 и 6. Минусовая входная шина 7 последовательно соединена с силовой цепью КМОП транзистора 8 p - типа, силовой цепью КМОП транзистора 9 p - типа, минусовой выходной шиной 10, между затвором и истоком КМОП транзистора 8 и КМОП транзистора 9 включены соответственно резисторы 11 и 12. Затворы КМОП транзисторов 2 и КМОП транзистора 3 соединены соответственно с первым и вторым выходами (диодных ИЛИ) блока диодов 13. Затворы КМОП транзисторов 8 и КМОП транзистора 9 соединены соответственно с первым и вторым выходами (диодных ИЛИ) блока диодов 14. Первые входы блоков диодов 13 и 14 соединены соответственно с первым и вторым входами выключения блока 15 умножения напряжения, выходы положительного и отрицательного напряжений которого соединены соответственно со вторыми входами блоков диодов 13 и 14. Один источник 16 сигналов управления включен между плюсовой выходной шиной 4 и первой шиной управления 17, которая соединена также с первым входом блока диодов 13. Второй источник 18 сигналов управления включен между минусовой выходной шиной 10 и второй шиной управления 19, которая соединена также с первым входом блока диодов 14. Плюсовой и минусовой выводы питания блока 15 умножения напряжения соединены соответственно с плюсовой и минусовой выходными шинами 4 и 10.The device is illustrated in Fig. 1 is a diagram of one variant of the supply voltage switch, FIG. 2 - options "A", "B" execution of the key K + , fig. 3 is a diagram of another version of the supply voltage switch (with separate sources of shutdown signals). In FIG. 1, the supply voltage switch contains connected in series a
В приведенном выше описании коммутатора напряжения питания использована расширенная трактовка его терминов, которая использована в отличительной части п. 2 формулы и является по физической сущности идентичной с ниже приведенной терминологией устройства-прототипа:In the above description of the supply voltage switch, an extended interpretation of its terms is used, which is used in the distinctive part of
- цепь коммутации оптрона заменена на силовой ключ,- the switching circuit of the optocoupler is replaced by a power switch,
- аналоговое ИЛИ заменено на блок диодов.- analog OR is replaced by a block of diodes.
Блок диодов 13 содержит два диодных элемента ИЛИ для положительных напряжений на его первом и втором входах относительно плюсовой выходной шины 4. Затворы КМОП транзисторов 2 и 3 n - типа развязаны соответствующими первым и вторым диодными элементами ИЛИ блока диодов 13.The
Блок диодов 14 содержит два диодных элемента ИЛИ для отрицательных напряжений на его первом и втором входах относительно минусовой выходной шины 10. Затворы КМОП транзисторов 8 и 9 p - типа развязаны соответствующими первым и вторым диодными элементами ИЛИ блока диодов 14.The
В простейшем случае первый и второй источники 16 и 18 сигналов управления могут представлять идентичные вторичные обмотки импульсного трансформатора, на первичную обмотку которого поступает первичный импульсный сигнал управления коммутатором напряжения. Для резервированного варианта первый и второй источники 16 и 18 сигналов управления могут представлять вторичные обмотки двух импульсных трансформаторов формирующих синхронные во времени импульсы управления.In the simplest case, the first and
Блок 15 умножения напряжения может иметь множество схемотехнических решений. Например, на основе удвоителя напряжения Латура-Делона-Гренашера или на основе генератора Ройера и т.д. При этом также возможно множество схемотехнических решений выключения коммутатора напряжения питания. Например, путем включения ключей К+ и К- блока 15 умножения напряжения, установленных в цепях его питания, или генератора G, или как указано на фиг. 1, фиг. 3 и так далее. Упрощенная схемотехника внутренней структуры блока 15 умножения напряжения на фиг. 1, фиг. 3 отображает частные случаи вариантов алгоритмов его функционирования.
Для надежного выключения коммутатора напряжения питания с емкостной нагрузкой на фиг. 2 приведены варианты исполнения ключа К+ с использованием КМОП транзистора - фиг. 2А и биполярного транзистора - фиг. 2Б, которые обеспечивают расширение импульса выключения. Также возможно исполнение ключа К+ с противоположным включением диода для транзисторов ключей иного типа (см. таблицу 1). Аналогично возможно исполнение ключей К- с соответствующей полярностью диодов.To reliably turn off the supply voltage switch with a capacitive load in FIG. 2 shows variants of the key K + using a CMOS transistor - fig. 2A and bipolar transistor - FIG. 2B, which provide an extension of the turn-off pulse. It is also possible to make the key K + with the opposite connection of the diode for transistors of keys of a different type (see table 1). Similarly, it is possible to make keys K - with the corresponding polarity of the diodes.
На фиг. 3 (в отличие от фиг. 1) введены источники 20 и 21 сигналов выключения. Источник 20 сигнала выключения включен между одним входом выключения блока 15 умножения напряжения и плюсовой выходной шиной 4. Источник 21 сигнала выключения включен между другим входом выключения блока 15 умножения напряжения и минусовой выходной шиной 10. При этом входы выключения блока 15 умножения напряжения не имеют связи как с первой, так и со второй шинами управления 17 и 19, имеющих место на фиг. 1. Источники 20 и 21 сигналов выключения представляют дублирующие цепи выключения блока 15 умножения напряжения. Например, это выходные обмотки двух трансформаторов.In FIG. 3 (in contrast to FIG. 1) the
Работа коммутатора напряжения питания в режиме включения по фиг. 1, фиг. 3 осуществляется следующим образом. Исходное состояние КМОП транзисторов 2, 3 и 8, 9 а также ключей К+ и К- блока 15 умножения напряжения закрытое. При формировании импульсов включения источниками 16 и 18 сигналов управления на первой шине 17 управления формируется импульс положительной полярности относительно плюсовой выходной шины 4 и на второй шине 18 управления - импульс отрицательной полярности относительно минусовой выходной шины 10 (см. таблицу 1). Состояние ключей К+ и К- блока 15 умножения напряжения при действии импульсов включения не меняется.The operation of the supply voltage switch in the turn-on mode according to FIG. 1, fig. 3 is carried out as follows. The initial state of the
При этом в процессе включения через первые входы элементов ИЛИ (для сигналов положительной полярности) блока диодов 13 осуществляется заряд емкостей затворов КМОП транзисторов 2, 3. Через первые входы элементов ИЛИ (для сигналов отрицательной полярности) блока диодов 14 осуществляется заряд емкостей затворов КМОП транзисторов 8, 9. Ограничение тока заряда емкости затвора КМОП транзисторов 2, 3, 8, 9 осуществляется, например, за счет внутреннего сопротивления 10÷20 Ом источников 16, 18 или путем установки ограничительных резисторов по выходам элементов ИЛИ в блоках диодов 13 и 14 (на фиг. 1 указано пунктиром). Амплитуда напряжения импульсов должна соответствовать требованиям технических характеристик КМОП транзисторов 2, 3, 8, 9. Соответственно силовые цепи КМОП транзисторов 2, 3, 8, 9 открываются и на выходных шинах 4 и 10 коммутатора напряжения питания появляется напряжение практически равное Uвых=Uвх. Для надежного включения коммутатора напряжения питания с емкостной составляющей нагрузки длительность импульсов включения должна быть не менее времени установления напряжения Uвых. При необходимости, действие импульсов включения недостаточной длительности источников 16 и 18 сигналов управления может быть расширено подключением конденсаторов параллельно входной емкости Сзи КМОП транзисторов 2, 3 и 8, 9 (на фиг. 1, 3 не показано). Через обозначенные выше резисторы 10÷20 Ом осуществляется быстрый заряд подключенных конденсаторов и входных емкостей Сзи КМОП транзисторов 2, 3 и 8, 9 и медленный их разряд через резисторы 5, 6, 11, 12 с величиной R5,6,11,12>>10÷20 Ом по окончании импульсов включения.At the same time, in the process of switching on, through the first inputs of the OR elements (for signals of positive polarity) of the
В некоторый момент времени установления напряжения Uвых начинает функционировать генератор G (например, импульсный со скважностью Q=2) блока 15 умножения напряжения и соответственно формироваться его выходные напряжения 2U*вых и -U*вых (относительно минусовой выходной шины 10). Работа умножителей напряжения подробно описана, например, в работах [5, 6]. Резистор R13 блока 15 умножения напряжения представляет с резисторами 5 и 6 делители напряжения 2U*вых. Резистор R14 блока 15 умножения напряжения представляет с резисторами 11 и 12 делители напряжения -U*вых. Они предназначены для ограничения тока разряда (при выключении коммутатора) ключами К+ и К- соответствующих емкостей блока 15 умножения напряжения и для обеспечения требуемого уровня напряжения Uзи между затвором и истоком КМОП транзисторов 2, 3, 8, 9. В зависимости от величины Uвх и допустимых значений напряжения Uзи между затвором и истоком КМОП транзисторов 2, 3, 8, 9 величину резисторов R13 и R14 блока 15 умножения напряжения определяют расчетным путем или подбором на этапе регулировки.At some point in time when the voltage U out is established, the generator G (for example, pulsed with a duty cycle Q=2) of the
Таким образом, по окончании импульсов включения на выходах элементов ИЛИ блоков диодов 13 и 14 сформированы постоянные напряжения с уровнем Uзмах>Uзи>Uпор, где Uзмах - величина предельно допустимого напряжения между затвором и истоком, Uпор - наибольшее пороговое значение напряжения между затвором и истоком КМОП транзисторов 2, 3, 8, 9. Соответственно КМОП транзисторы 2, 3, 8, 9 по окончании импульсов включения остаются открытыми. Данное открытое состояние КМОП транзисторов 2, 3, 8, 9 поддерживается формированием напряжений 2U*вых и -U*вых блоком 15 умножения напряжения Uвых до поступления импульсов выключения.Thus, at the end of the turn-on pulses at the outputs of the OR elements of the diode blocks 13 and 14 , constant voltages are formed with a level between the gate and the source of the
Выключение коммутатора напряжения по варианту, приведенному на фиг. 1 осуществляется следующим образом. Источниками 16 и 18 сигналов управления формируются импульсные сигналы выключения противоположной полярности относительно сигналов включения: на первой шине 17 управления формируется импульс отрицательной полярности относительно плюсовой выходной шины 4 и на второй шине 19 управления -импульс положительной полярности относительно минусовой выходной шины 10 (см. таблицу 1). При этом ключи К+ и К- блока 15 умножения напряжения открываются, шунтируя напряжения -U*вых и 2U*вых на соответствующие выходные шины 10 и 4. На первом и втором выходах (диодных ИЛИ) блоков диодов 13 и 14 и соответственно на затворах КМОП транзисторов 2, 3, 8, 9 напряжение Uзи → 0, КМОП транзисторы 2, 3, 8, 9 закрываются и Uвых → 0. Генератор G обесточивается и далее сохраняется состояние Uвых=0. Для надежного выключения коммутатора напряжения питания с емкостной составляющей нагрузки длительность τвыкл импульсов выключения должна быть не менее времени τсп спада напряжения Uвых. При τвыкл<τсп следует использовать исполнение ключей К+ и К- блока 15 умножения напряжения по фиг. 2 (или аналогично согласно таблице 1).Turning off the voltage switch according to the variant shown in Fig. 1 is carried out as follows.
Выключение коммутатора напряжения по варианту, приведенному на фиг. 3 осуществляется следующим образом. Источниками 20 и 21 сигналов выключения синхронно формируются импульсы согласно таблице 1. При этом ключи К+ и К- блока 15 умножения напряжения открываются, шунтируя напряжения 2U*вых и -U*вых на соответствующие выходные шины 4 и 10. На первом и втором выходах (диодных ИЛИ) блоков диодов 13 и 14 и соответственно на затворах КМОП транзисторов 2, 3, 8, 9 напряжение Uзи → 0, КМОП транзисторы 2, 3, 8, 9 закрываются. Генератор G обесточивается и далее сохраняется состояние отсутствия Uвых. Требования по исполнению ключей К+ и К- в зависимости от τвыкл и τсп аналогичны описанным выше для фиг. 1.Turning off the voltage switch according to the variant shown in Fig. 3 is carried out as follows.
Выключение устройства по фиг. 3 в аварийном режиме (одна неисправность цепей выключения) осуществляется формированием импульса по крайней мере источником 20 или 21 сигнала выключения с полярностью согласно таблице 1. При этом аналогично выключению в штатном режиме напряжение Uзи → 0 пары КМОП транзисторов 2, 3 или 8, 9 и эта пара КМОП транзисторов закрывается, обесточивается блок 15 умножения напряжения, вследствие чего затем закрывается и другая пара КМОП транзисторов. Аналогично в аварийном режиме (одна неисправность цепей выключения) осуществляется выключение коммутатора напряжения питания по фиг. 1 формированием импульсного сигнала управления (выключения) по крайней мере источником 16 или 18.Turning off the device according to Fig. 3 in emergency mode (one malfunction of the shutdown circuits) is carried out by the formation of a pulse at least by the
Таким образом, один отказ в любой цепи выключения не отразится на способности отключения выходных шин 4 и 10 от входных шин 1 и 7. Один отказ в любой цепи коммутации какого-либо КМОП транзистора 2, 3, 8, 9 не отразится на способности отключения выходных шин 4 и 10 от входных шин 1 и 7 вследствие выключения другого (исправного) КМОП транзистора в цепи их последовательного соединения.Thus, one failure in any switching circuit will not affect the ability to disconnect
Надежность обеспечения напряжением питания хотя бы одного резерва системы нагрузки, получающей напряжение питания от комплекта из двух данных устройств при одном любом отказе в коммутаторе напряжения питания какого-либо резерва системы нагрузки обеспечивается совместно с системой управления объекта резервирования, формирующей сигнал [2] по шинам включения 17 и 19 того или иного коммутатора напряжения питания. При отказе включения коммутатора напряжения питания одного резерва системы (или соответствующего резерва его нагрузки) в систему управления объекта резервирования поступает информация об отказе данного резерва. При этом система управления объекта резервирования вырабатывает сигнал выключения каждого коммутатора напряжения питания. Затем система управления объекта резервирования вырабатывает сигнал включения другого (исправного) коммутатора напряжения питания резервированных систем [2]. Таким образом, два коммутаторов напряжения питания резервированных систем обеспечивают функционирование системы нагрузки как минимум при одном отказе в любом резерве.The reliability of supplying voltage to at least one reserve of the load system that receives supply voltage from a set of two of these devices in the event of any one failure in the supply voltage switch of any reserve of the load system is ensured together with the control system of the redundancy object that generates a signal [2] via the switching
Технический результатTechnical result
Техническим результатом является повышение технологичности, которое заключается в расширении функциональных возможностей, обеспечивающих изготовление устройства с использованием бескорпусной элементной базы силовых ключей в виде кристаллов. Это позволяет изготавливать малогабаритный вариант коммутатора напряжения питания, например, в виде микросборки.The technical result is an increase in manufacturability, which consists in expanding the functionality that ensures the manufacture of a device using an unpackaged element base of power switches in the form of crystals. This makes it possible to manufacture a small-sized version of the supply voltage switch, for example, in the form of a microassembly.
Другой положительный эффект устройства заключается в подключении к входным шинам коммутатора напряжения питания только коммутируемых выводов силовой цепи КМОП транзисторов со связями управляющих цепей силовых КМОП транзисторов со стороны выходных шин коммутатора напряжения питания. Такая структура обладает повышенной надежностью. В случае отказа (короткое замыкание) какого-либо элемента в выключенном режиме в любом случае сохраняется требование заказчика по отсутствию гальванических связей как между входными шинами, так и между входной и выходной шинами цепей любой полярности.Another positive effect of the device consists in connecting to the input buses of the supply voltage switch only the switched outputs of the power circuit of CMOS transistors with connections of the control circuits of the power CMOS transistors from the side of the output buses of the supply voltage switch. Such a structure has increased reliability. In the event of a failure (short circuit) of any element in the off mode, in any case, the customer's requirement for the absence of galvanic connections both between the input buses and between the input and output buses of circuits of any polarity remains.
Также в условиях специального применения [3] расширяется номенклатура выбора силовой элементной базы (КМОП транзистор вместо оптопары) и обеспечивается повышенная надежность коммутатора напряжения питания в долговременной перспективе [4] и особенно в условиях воздействия повышенных температур и высокого уровня радиационного фона.Also, in the conditions of special application [3], the range of choice of power element base (CMOS transistor instead of optocoupler) is expanded and increased reliability of the supply voltage switch is ensured in the long term [4], and especially under conditions of exposure to elevated temperatures and a high level of background radiation.
Источники информацииSources of information
1. Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току. Патент RU 2208292, МПК Н03К 17/08, 2003 г.1. Voltage switch with overcurrent protection. Patent RU 2208292,
2. Оптоэлектронное реле питания резервированных систем. Патент RU 2746556, МПК Н03К 17/08, 2020 г.2. Optoelectronic power supply relay for redundant systems. Patent RU 2746556,
3. Лебединская А.Е. и др. Радиационно стойкая оптоэлектронная пара для вторичных источников питания // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. Москва, выпуск 1(256), 2020 г., С. 40-48.3. Lebedinskaya A.E. et al. Radiation-resistant optoelectronic pair for secondary power sources // Elektronnaya tekhnika.
4. Цифровой изолятор или оптопара? http://aobzpp.ru/stati/#izolyator_optopara4. Digital isolator or optocoupler? http://aobzpp.ru/stati/#izolyator_optopara
5. Описание схемы мощного удвоителя постоянного напряжения. https://zen.yandex.ru/media/asutpp.ru/opisanie-shemy-moscnogo-udvoitelia-postoiannogo-napriajeniia-5d78f75dd4f07a00c558582d5. Description of the scheme of a powerful DC voltage doubler. https://zen.yandex.ru/media/asutpp.ru/description-shemy-moscnogo-udvoitelia-postoiannogo-napriajeniia-5d78f75dd4f07a00c558582d
6. Dc-Dc преобразователь. Устройство и принцип работы основных схем. https://powercoup.by/radioelektronika/dc-dc-preobrazovatel6. Dc-Dc converter. The device and principle of operation of the main circuits. https://powercoup.by/radioelektronika/dc-dc-preobrazovatel
Claims (3)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2775297C1 true RU2775297C1 (en) | 2022-06-29 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU218650U1 (en) * | 2023-02-20 | 2023-06-05 | Юрий Николаевич Цыбин | Redundant power switch |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2137294C1 (en) * | 1995-01-24 | 1999-09-10 | Сименс АГ | High-voltage turn-on mos device built around semiconductor integrated circuit |
RU2257007C1 (en) * | 2004-02-09 | 2005-07-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Алмаз" | Transformer-isolated electronic switch |
WO2011079879A1 (en) * | 2009-12-30 | 2011-07-07 | Stmicroelectronics S.R.L. | Low voltage isolation switch, in particular for a transmission channel for ultrasound applications |
US20140184309A1 (en) * | 2012-12-31 | 2014-07-03 | Nxp B.V. | High-voltage electrical switch by series connected semiconductor switches |
RU2601172C2 (en) * | 2015-04-03 | 2016-10-27 | Акционерное Общество "Научно-Исследовательский Институт Микроэлектронной Аппаратуры "Прогресс" | Switch with high insulation |
RU2746556C1 (en) * | 2020-04-14 | 2021-04-15 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт командных приборов" | Redundant system power supplies optoelectronic relay |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2137294C1 (en) * | 1995-01-24 | 1999-09-10 | Сименс АГ | High-voltage turn-on mos device built around semiconductor integrated circuit |
RU2257007C1 (en) * | 2004-02-09 | 2005-07-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Алмаз" | Transformer-isolated electronic switch |
WO2011079879A1 (en) * | 2009-12-30 | 2011-07-07 | Stmicroelectronics S.R.L. | Low voltage isolation switch, in particular for a transmission channel for ultrasound applications |
US20140184309A1 (en) * | 2012-12-31 | 2014-07-03 | Nxp B.V. | High-voltage electrical switch by series connected semiconductor switches |
RU2601172C2 (en) * | 2015-04-03 | 2016-10-27 | Акционерное Общество "Научно-Исследовательский Институт Микроэлектронной Аппаратуры "Прогресс" | Switch with high insulation |
RU2746556C1 (en) * | 2020-04-14 | 2021-04-15 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт командных приборов" | Redundant system power supplies optoelectronic relay |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU218650U1 (en) * | 2023-02-20 | 2023-06-05 | Юрий Николаевич Цыбин | Redundant power switch |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9496862B2 (en) | Circuit arrangement for actuating a semiconductor switching element | |
CN101034850B (en) | DC-DC converter, control circuit thereof, control method thereof, and power supply unit | |
KR20010083187A (en) | Switch circuit for generating pulse power | |
JP6203020B2 (en) | Battery pack having charge / discharge switch circuit | |
RU2775297C1 (en) | Method and device for switching supply voltage | |
RU213260U1 (en) | Supply voltage switch | |
RU2414787C1 (en) | Multi-channel solid-state load controller | |
EP3382869A1 (en) | On-load power electronic tap-changer with power electronic valves | |
Yue et al. | A Review of Voltage Sharing Control Methods for Series-connected IGBTs for Applications in Pulsed Power Generation | |
JP2008011595A (en) | High-voltage pulse generator | |
Zhang et al. | A Closed-Loop Current Source Gate Driver with Active Voltage Balancing Control for Series-Connected GaN HEMTs | |
JP2016511581A (en) | Parallel switch driver signal failure detection | |
RU209262U1 (en) | Supply voltage switch | |
RU2158996C2 (en) | Device for protection and monitoring of resistance of insulation of electric equipment | |
SU1647824A1 (en) | Multiphase inverter | |
RU2746556C1 (en) | Redundant system power supplies optoelectronic relay | |
CN111800008B (en) | Output voltage stabilizing device | |
RU2034400C1 (en) | Pulse modulator | |
TWI835032B (en) | Power supply | |
CN110611443B (en) | Power supply system and power converter | |
RU1802897C (en) | System of secondary power supply | |
SU1035589A1 (en) | Stabilized voltage converter | |
Munir et al. | Design of a novel gate driver circuit for a Marx generator based 40kV electric fence energizer | |
SU1251045A1 (en) | Pulsed heteropolar d.c.voltage stabilizer | |
SU943684A1 (en) | Protected dc voltage power supply source |