RU2011275C1 - Switch stabilizer - Google Patents
Switch stabilizer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2011275C1 RU2011275C1 SU5009440A RU2011275C1 RU 2011275 C1 RU2011275 C1 RU 2011275C1 SU 5009440 A SU5009440 A SU 5009440A RU 2011275 C1 RU2011275 C1 RU 2011275C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- voltage
- low
- pass filter
- pulse
- Prior art date
Links
Landscapes
- Amplifiers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для использования в качестве вторичных импульсных источников электропитания, ключевых стабилизаторов и регуляторов напряжения, коллекторных модуляторов передатчиков в радиотехнических устройствах большой и средней мощности. The invention relates to pulsed technology and is intended for use as secondary switching power supplies, key voltage stabilizers and regulators, collector modulator transmitters in large and medium power radio devices.
Известные стабилизаторы напряжения, например, описанные в [1-4] , содержащие последовательно соединенные широтно-импульсный модулятор, ключевой усилитель и фильтр нижних частот (ФНЧ), а также цепь отрицательной обратной связи по выходному напряжению. Для обеспечения высокого качества выходного напpяжения в таких устройствах могут использоваться многозвенные LC ФНЧ [3] , позволяющие обеспечить высокую степень подавления высокочастотных (ВЧ) составляющих импульсного напряжения до уровня -70. . . -80 дБ. Known voltage stabilizers, for example, described in [1-4], containing serially connected pulse-width modulator, a key amplifier and a low-pass filter (low-pass filter), as well as a negative feedback circuit for the output voltage. To ensure high quality of the output voltage in such devices, multi-link LC low-pass filters [3] can be used, which allow for a high degree of suppression of high-frequency (HF) components of the pulse voltage to the level of -70. . . -80 dB
Вместе с тем, применение многозвенных ФНЧ препятствует введению эффективной отрицательной обратной связи по выходному напряжению, максимальная глубина которой, ограниченная условием устойчивой работы ключевых стабилизаторов, как правило, не превышает 10. . . 12 дБ [4] . При этом обеспечивается недостаточная стабильность выходного напряжения, отклонение которого от номинального уровня составляет 10. . . 20% при двухкратном изменении напряжения электропитания ключевых усилителей. At the same time, the use of multi-link low-pass filters prevents the introduction of effective negative feedback on the output voltage, the maximum depth of which, limited by the condition for stable operation of key stabilizers, as a rule, does not exceed 10.. . 12 dB [4]. This ensures insufficient stability of the output voltage, the deviation of which from the nominal level is 10.. . 20% with a twofold change in the power supply voltage of key amplifiers.
Значительно большую стабильность выходного напряжения позволяет обеспечить использование отрицательной обратной связи (ООС) по импульсному напряжению с выхода ключевого усилителя через интегрирующее звено, входящее в состав широтно-импульсного модулятора [1 и 2] . Глубина ООС такого вида может достигать 40. . . 50 дБ без нарушения устойчивости работы ключевого стабилизатора. При этом двухкратное изменение напряжения электропитания приводит к изменению выходного напряжения менее чем на 0,5-1% . Significantly greater stability of the output voltage allows the use of negative feedback (OOS) on the pulse voltage from the output of the key amplifier through an integrating link that is part of the pulse-width modulator [1 and 2]. The depth of the environmental protection system of this kind can reach 40.. . 50 dB without compromising the stability of the key stabilizer. In this case, a twofold change in the supply voltage leads to a change in the output voltage by less than 0.5-1%.
Недостатком устройств с обратной связью по импульсному напряжению с выхода ключевого усилителя [1 и 2] является отсутствие компенсации падения напряжения на активном сопротивлении r дросселей ФНЧ и трассы соединения выходов ключевого регулятора с выводами нагрузки. В большинстве практических случаев величина этого сопротивления достигает 10% от номинального сопротивления нагрузки. При этом двойное изменение тока нагрузки приводит к отклонению напряжения на ее выводах до 10% от номинального уровня. Использование дополнительной обратной связи по выходному напряжению позволяет уменьшить это изменение не более чем в 2. . . 3 раза, так как ее глубина ограничена условием устойчивой работы ключевого стабилизатора. The disadvantage of devices with feedback on the pulse voltage from the output of the key amplifier [1 and 2] is the lack of compensation for the voltage drop across the active resistance r of the LPF chokes and the connection path of the outputs of the key regulator with the load terminals. In most practical cases, the value of this resistance reaches 10% of the nominal load resistance. In this case, a double change in the load current leads to a voltage deviation at its terminals up to 10% of the nominal level. The use of additional feedback on the output voltage makes it possible to reduce this change by no more than 2.. . 3 times, since its depth is limited by the condition of stable operation of the key stabilizer.
Отмеченный недостаток затрудняет использование известных ключевых стабилизаторов при подключении нагрузки через протяженный (до нескольких километров) магистральный кабель, активное сопротивление которого может быть соизмеримо с сопротивлением нагрузки. В этом случае введение дополнительной ООС непосредственно с нагрузки затруднено и изменение ее импеданса в два раза приводит к отклонению выходного напряжения от номинального уровня на 30. . . 50% . The noted drawback makes it difficult to use known key stabilizers when connecting the load through an extended (up to several kilometers) trunk cable, the active resistance of which can be comparable with the load resistance. In this case, the introduction of additional OOS directly from the load is difficult and a change in its impedance by half leads to a deviation of the output voltage from the nominal level by 30.. . fifty% .
Наиболее близким к предлагаемому является устройство, содержащее широтно-импульсный модулятор, первый вход которого подключен к шине опорного напряжения Uo, а выход соединен с входом управления ключевого усилителя, подключенного выходом через ФНЧ к шинам нагрузки, а через цепь отрицательной обратной связи - к второму входу широтно-импульсного модулятора [1] .Closest to the proposed device is a pulse-width modulator, the first input of which is connected to the reference voltage bus U o , and the output is connected to the control input of the key amplifier, connected by the output through the low-pass filter to the load buses, and through the negative feedback circuit to the second input pulse-width modulator [1].
Однако, низкая стабильность выходного напряжения этого устройства при изменении импеданса нагрузки в широких пределах препятствует его использованию в качестве стабилизированных источников вторичного электропитания, особенно при подключении нагрузки через протяженный магистральный кабель. However, the low stability of the output voltage of this device when changing the load impedance over a wide range prevents its use as stabilized secondary power sources, especially when connecting the load through an extended trunk cable.
Цель изобретения - повышение стабильности напряжения на нагрузке при ее изменении в широких пределах. The purpose of the invention is to increase the stability of the voltage at the load when it changes over a wide range.
Это цель достигается в известном ключевом стабилизаторе, содержащем последовательно соединенные широтно-импульсный модулятор, ключевой усилитель и фильтр нижних частот, выход которого подключен к нагрузке, а выход ключевого усилителя через цепь отрицательной обратной связи подключен к одному из входов широтно-импульсного модулятора, посредством введения в его состав сумматора, дополнительного фильтра нижних частот, цепи положительной обратной связи и датчика тока, включенного первым и вторым выводами между выходом ключевого усилителя и фильтром нижних частот, причем выход датчика тока через последовательно соединенные цепь положительной обратной связи и фильтр нижних частот, подключен к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с шиной опорного напряжения, а выход - с другим входом широтно-импульсного модулятора. This goal is achieved in the well-known key stabilizer, containing a series-connected pulse-width modulator, a key amplifier and a low-pass filter, the output of which is connected to the load, and the output of the key amplifier through a negative feedback circuit is connected to one of the inputs of the pulse-width modulator, by introducing it consists of an adder, an additional low-pass filter, a positive feedback circuit and a current sensor connected by the first and second conclusions between the output of the key amplifier For a low-pass filter, the output of the current sensor through a series-connected positive feedback circuit and a low-pass filter is connected to the first input of the adder, the second input of which is connected to the reference voltage bus, and the output to the other input of the pulse-width modulator.
Введение в состав предлагаемого устройства датчика тока, цепи положительной обратной связи, дополнительного фильтра нижних частот и сумматора позволяет обеспечить компенсацию падений напряжения на активном сопротивлении элементов ФНЧ и шин подключения нагрузки соответствующим увеличением среднего значения выходного напряжения ключевого усилителя. Тем самым применение предлагаемого стабилизатора дает возможность обеспечить высокую стабильность выходного напряжения при изменении импеданса нагрузки в широких пределах даже при ее подключении через протяженный магистральный кабель. Introduction to the composition of the proposed device a current sensor, a positive feedback circuit, an additional low-pass filter and an adder allows for compensation of voltage drops at the active resistance of the low-pass filter elements and load connection buses by a corresponding increase in the average value of the output voltage of the key amplifier. Thus, the use of the proposed stabilizer makes it possible to ensure high stability of the output voltage when the load impedance changes over a wide range even when it is connected through an extended main cable.
На чертеже показана структурная схема предлагаемого стабилизатора. The drawing shows a structural diagram of the proposed stabilizer.
Стабилизатор содержит широтно-импульсный модулятор 1, ключевой усилитель 2, ФНЧ 3, цепь 4 ООС, нагрузку 5, датчик 6 тока, цепь 7 положительной обратной связи (ПОС), дополнительный НФЧ 8 и сумматор 9. The stabilizer contains a pulse-width modulator 1, a key amplifier 2, low-pass filter 3, circuit 4 OOS, load 5, current sensor 6, circuit 7 positive feedback (POS), additional low-pass filter 8 and the adder 9.
Широтно-импульсный модулятор 1 предназначен для формирования последовательности импульсов, модулированных по длительности в соответствии с уровнями входного сигнала U и импульсного сигнала ООС UE. Модулятор может быть выполнен на интеграторе, генераторе пилообразного напряжения и компараторе.The pulse-width modulator 1 is designed to generate a sequence of pulses modulated in duration in accordance with the levels of the input signal U and the pulse signal of the OOS U E. The modulator can be performed on an integrator, a sawtooth voltage generator and a comparator.
При этом за период переключения Т выполняется условие равенства средних значений входного сигнала U и сигнала обратной связи UE= βE(t)
∫
Ключевой усилитель 2 предназначен для высокоэффективного усиления по мощности сигнала с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и формирования на входе ФНЧ 3 импульсов напряжения амплитудой Е, определяемой напряжением электропитания. Ключевой усилитель 2 выполняется по однотактной последовательной схеме с входным дросселем ФНЧ 3, включенном на выходе оконечного каскада. Использование цепи 4 ООС с выхода ключевого усилителя на интегрирующий вход широтно-импульсного модулятора позволяет обеспечить пропорциональность между средним значением входного сигнала u и средним за период переключений значением импульсного напряжения V
U= βV, (2)
где β- коэффициент передачи цепи 4 ООС, которая может быть выполнена на резистивном делителе.Moreover, for the switching period T, the condition of equality of the average values of the input signal U and the feedback signal U E = βE (t)
∫
Key amplifier 2 is designed for high-efficiency power amplification of a signal with pulse-width modulation (PWM) and the formation at the input of the low-pass filter 3 voltage pulses of amplitude E, determined by the voltage supply. The key amplifier 2 is performed according to a single-cycle serial circuit with an input choke of the low-pass filter 3 connected at the output of the terminal stage. Using circuit 4 of the OOS from the output of the key amplifier to the integrating input of a pulse-width modulator allows one to ensure proportionality between the average value of the input signal u and the average value of the pulse voltage V over the switching period
U = βV, (2)
where β is the transmission coefficient of the circuit 4 OOS, which can be performed on a resistive divider.
ФНЧ 3 предназначен для выделения в нагрузке 5 полезных НЧ-составляющих импульсного напряжения. Для формирования выходного напряжения с малым уровнем пульсаций (порядка 0,5. . . 5 мВ) ФНЧ 3 должен выполняться по многозвенной схеме и может содержать режекторные и инжекторные звенья, обеспечивающее эффективное подавление гармоник частоты переключения. Low-pass filter 3 is designed to isolate in the load 5 useful low-frequency components of the pulse voltage. To generate the output voltage with a low ripple level (of the order of 0.5... 5 mV), the low-pass filter 3 must be performed according to a multi-link scheme and may contain notch and injection links, which provides effective suppression of switching frequency harmonics.
Датчик 6 тока служит для выделения напряжения Ui, уровень которого пропорционален величине выходного тока i ключевого усилителя 2, и может быть выполнен на резистивном шунте малого сопротивления Ri, напряжение Ui на котором равно
Ui= Ri i . (3)
Цепь 7 ПОС и дополнительный ФНЧ 8 предназначены для фильтрации НЧ-составляющих сигнала обратной связи по току и передачи его в заданной пропорции на вход сумматора 9
UI= γRII, (4)
где I - среднее значение выходного тока ключевого усилителя;
γ- коэффициент передачи цепи 7.The current sensor 6 serves to isolate the voltage U i , the level of which is proportional to the output current i of the key amplifier 2, and can be performed on a resistive shunt of low resistance R i , the voltage U i at which is
U i = R i i. (3)
PIC circuit 7 and an additional low-pass filter 8 are designed to filter the low-frequency components of the current feedback signal and transmit it in a predetermined proportion to the input of the adder 9
U I = γR I I, (4)
where I is the average value of the output current of the key amplifier;
γ - transmission coefficient of the circuit 7.
Для обеспечения стабильности напряжения на нагрузке за счет компенсации падений напряжения на сопротивлении r последовательных звеньев ФНЧ 3 и шин подключения нагрузки коэффициент передачи цепи 7 должен составлять
γ= r β/RI. (5)
При γ>1 цепь 7 должна содержать усилительное звено, выполненное, например, на операционном усилителе.To ensure the stability of the voltage at the load by compensating for the voltage drop across the resistance r of the serial links of the low-pass filter 3 and busbars connecting the load, the transmission coefficient of the circuit 7 should be
γ = r β / R I. (5)
For γ> 1, circuit 7 should contain an amplification unit, made, for example, on an operational amplifier.
ФНЧ 8 служит для подавления ВЧ-пульсаций сигнала с выхода датчика тока и может быть выполнен на однозвенном LC ФНЧ с постоянной времени, в 3. . . 5 раз большей периода переключений. The low-pass filter 8 serves to suppress the RF pulsations of the signal from the output of the current sensor and can be performed on a single-link LC low-pass filter with a time constant of 3.. . 5 times the switching period.
Сумматор 9 служит для суммирования опорного напряжения Uo и сигнала Ul обратной связи по току и формирования на первом входе интегратора суммарного напряжения U= Uo+UI.The adder 9 serves to sum the reference voltage U o and the current feedback signal U l and form a total voltage U = U o + U I at the first input of the integrator.
(6)
Сумматор 9 может быть выполнен на операционном усилителе и резистивном сумматоре.(6)
The adder 9 may be performed on an operational amplifier and a resistive adder.
Предлагаемый ключевой стабилизатор работает следующим образом. The proposed key stabilizer works as follows.
Опорное напряжение Uo постоянного уровня суммируется сигналом обратной связи по току UI и в результате на первом входе широтно-импульсного модулятора 1 формируется напряжение U(6), уровень которого возрастает в соответствии с уровнем выходного тока
U= Uo+ γ RII. (7)
Этот сигнал совместно с сигналом UE ООС по импульсному напряжению интегрируется и поступает на сравнение с опорным пилообразным напряжением. В результате на выходе модулятора 1 формируется сигнал с ШИМ, который усиливается по мощности ключевым усилителем 2. При этом среднее значение V импульсного напряжения E(t) пропорционально сигналу управления U на входе модулятора 1
Uo+ γ RII= Vβ . (8)
Средний уровень выходного тока ключевого усилителя 2 определяется из соотношения
I= V/(r+Rн), (9)
где Rн - сопротивление нагрузки;
r - суммарное сопротивление ФНЧ 3 и кабельного соединения его выхода с нагрузкой.The reference voltage U o of the constant level is summed by the current feedback signal U I and as a result, the voltage U (6) is formed at the first input of the pulse-width modulator 1, the level of which increases in accordance with the level of the output current
U = U o + γ R I I. (7)
This signal, together with the signal U E OOS for pulse voltage is integrated and is compared with the reference sawtooth voltage. As a result, a PWM signal is generated at the output of modulator 1, which is amplified by the power of the key amplifier 2. In this case, the average value V of the pulse voltage E (t) is proportional to the control signal U at the input of modulator 1
U o + γ R I I = Vβ. (8)
The average output current level of the key amplifier 2 is determined from the ratio
I = V / (r + R n ), (9)
where R n - load resistance;
r is the total resistance of the low-pass filter 3 and the cable connection of its output with the load.
В результате из (8) и (9) получаем:
V= 
Для значения коэффициента γ = r β/RI знаменатель выражения (10), большее нуля при любых значениях r и Rн ∈ [Rно; ∞[. Следовательно, введение положительной обратной связи по выходному току не нарушает устойчивости ключевого стабилизатора во всем диапазоне изменения нагрузки.As a result, from (8) and (9) we obtain:
V =
For the coefficient γ = r β / R I, the denominator of expression (10) is greater than zero for any values of r and R н ∈ [R but ; ∞ [. Therefore, the introduction of positive feedback on the output current does not violate the stability of the key stabilizer in the entire range of load changes.
Напряжение Uн, выделяемое на нагрузке стабилизатора с учетом (10), равно
Uн= 
В результате для заданного значения γ , определяемого детерменированными величинами r и β, получаем
Uн= Uo/β . (12)
Полученное соотношение выполняется при изменении нагрузки в широких пределах для любого заданного значения сопротивления r и соответствует выполнению требования стабильности выходного напряжения ключевого стабилизатора.The voltage U n allocated to the load of the stabilizer taking into account (10) is equal to
U n =
As a result, for a given value of γ, determined by the deterministic quantities r and β, we obtain
U n = U o / β. (12)
The resulting ratio is satisfied when the load changes over a wide range for any given resistance value r and corresponds to the fulfillment of the requirement of stability of the output voltage of the key stabilizer.
Таким образом, в предлагаемом стабилизаторе обеспечивается высокая стабильность напряжения на нагрузке при ее изменении в широких пределах, в том числе и при подключении нагрузки через протяженный магистральный кабель. Thus, in the proposed stabilizer provides high stability of the voltage at the load when it changes over a wide range, including when connecting the load through an extended trunk cable.
Введение в состав известного устройства новой совокупности блоков и связей позволило в предлагаемом стабилизаторе значительно повысить стабильность выходного напряжения при изменении импеданса нагрузки. Так, если в известном устройстве при проходном сопротивлении элементов ФНЧ и выходных шин до r= 0,1Rно для изменения сопротивления нагрузки в диапазоне Rн= Rно(1,0. . . 10) изменение выходного напряжения достигает 10% , то в предлагаемом стабилизаторе при тех же условиях обеспечивается изменение напряжения на нагрузке не более 1% . (56) 1. Патент США N 4134076, кл. H 03 F 3/38, опублик. 1979.Introduction to the composition of the known device a new set of blocks and connections allowed in the proposed stabilizer to significantly increase the stability of the output voltage when changing the load impedance. So, if in the known device with a passing resistance of the low-pass filter elements and output buses to r = 0.1R but for changing the load resistance in the range R n = R but (1.0 ... 10), the change in the output voltage reaches 10%, then the proposed stabilizer under the same conditions provides a change in voltage at the load of not more than 1%. (56) 1. U.S. Patent No. 4,134,076, cl. H 03 F 3/38, published. 1979.
2. Len Feeldman. Pulse width modulation for HI-FL. Rafio Electronics, 1977, c. 59-61. 2. Len Feeldman. Pulse width modulation for HI-FL. Rafio Electronics, 1977, c. 59-61.
3. Патент США N 4144502, кл. H 03 F 3/217, опублик. 1989. 3. US patent N 4144502, CL. H 03 F 3/217, published. 1989.
4. Полов К. П. Условия устойчивой работы усилителя в режиме с обратной связью. Радиотехника, 1971, N 6, т. 26, с. 80-86. 4. Polov K.P. Conditions for stable operation of an amplifier in a feedback mode. Radio Engineering, 1971, N 6, v. 26, p. 80-86.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU5009440 RU2011275C1 (en) | 1991-11-04 | 1991-11-04 | Switch stabilizer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU5009440 RU2011275C1 (en) | 1991-11-04 | 1991-11-04 | Switch stabilizer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2011275C1 true RU2011275C1 (en) | 1994-04-15 |
Family
ID=21588935
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU5009440 RU2011275C1 (en) | 1991-11-04 | 1991-11-04 | Switch stabilizer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2011275C1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014160918A1 (en) * | 2013-03-28 | 2014-10-02 | Texas Instruments Incorporated | Voltage regulator |
| RU2751078C1 (en) * | 2020-11-19 | 2021-07-08 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Key voltage normalizer |
| RU2752252C1 (en) * | 2020-09-02 | 2021-07-23 | Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" | Operated starting device |
| RU2808233C1 (en) * | 2023-06-09 | 2023-11-28 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Key phase current normalizer |
-
1991
- 1991-11-04 RU SU5009440 patent/RU2011275C1/en active
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014160918A1 (en) * | 2013-03-28 | 2014-10-02 | Texas Instruments Incorporated | Voltage regulator |
| US11557967B2 (en) | 2013-03-28 | 2023-01-17 | Texas Instruments Incorporated | Voltage regulator with adaptive feed-forward compensation for periodic loads |
| RU2752252C1 (en) * | 2020-09-02 | 2021-07-23 | Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" | Operated starting device |
| RU2751078C1 (en) * | 2020-11-19 | 2021-07-08 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Key voltage normalizer |
| RU2808233C1 (en) * | 2023-06-09 | 2023-11-28 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Key phase current normalizer |
| RU2821268C1 (en) * | 2023-09-11 | 2024-06-19 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Three-phase network rectified voltage key normalizer |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6385067B2 (en) | Analog/digital PWM control circuit of a winding | |
| US5602464A (en) | Bidirectional power converter modules, and power system using paralleled modules | |
| EP0079098A1 (en) | Amplifier with signal-dependent voltage supply source | |
| US4524335A (en) | Pulse-width modulation circuit with carrier signal frequency control | |
| CA2192189A1 (en) | Structure and method for performing active injection mode filtering on an ac power system | |
| US4835454A (en) | Advanced feed forward switch mode power suppply control | |
| RU2011275C1 (en) | Switch stabilizer | |
| JPH0681054B2 (en) | Digital-to-analog converter with linearity control function | |
| US11139731B2 (en) | Output adjustment circuit for power converters, corresponding device, and method | |
| US4390846A (en) | Power amplifier connection | |
| US4736152A (en) | Load current interference reducing apparatus | |
| JPH0254695B2 (en) | ||
| EP0685935A1 (en) | Filter arrangement | |
| SU1023311A1 (en) | Stabilized d.c. voltage source | |
| SU587460A1 (en) | Pulsed dc voltage stabilizer | |
| SU892425A1 (en) | Stabilized converter | |
| SU1596457A1 (en) | Pulsed voltage generator | |
| RU2007850C1 (en) | Class d amplifier on tetrode | |
| SU641420A1 (en) | Pulsed dc voltage stabilizer | |
| SU771634A1 (en) | Pulsed dc voltage stabilizer | |
| SU1125551A1 (en) | Wide-band ac-to-dc voltage converter | |
| SU1339527A1 (en) | D.c.voltage pulse stabilizer | |
| SU1654801A1 (en) | Switching dc regulator | |
| SU1417163A1 (en) | Sine oscillation generator | |
| SU930523A2 (en) | Stabilized converter |