конвертер постоянного напряжения

Формула изобретения

Конвертер постоянного напряжения, содержащий два ключевых элемента, входы управления которых подключены к блоку формирования противофазных управляющих импульсов, а также двухтактный коммутатор, отличающийся тем, что в него 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 входом первого плеча двухтактного коммутатора, а два оставшихся вывода второго дросселя соединены соответственно с выходом второго ключа и с входом второго плеча двухтактного коммутатора.

Описание изобретения к патенту

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.

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.

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.

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.

Наиболее простым решением этой задачи является использование двухтактного режима преобразования.

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.

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.

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.

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.

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.

Задачей настоящего изобретения является увеличение эффективности повышающего двухтактного преобразователя при его использовании в качестве источника питания для элементов, ограничивающих напряжение.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Для выполнения этого условия при подключенной к общей шине нагрузке коэффициент трансформации каждого дросселя определяется следующим образом:

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.

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.

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.