RU2849998C1 - High-efficiency and high-power step-down dc voltage regulator - Google Patents
High-efficiency and high-power step-down dc voltage regulatorInfo
- Publication number
- RU2849998C1 RU2849998C1 RU2025114834A RU2025114834A RU2849998C1 RU 2849998 C1 RU2849998 C1 RU 2849998C1 RU 2025114834 A RU2025114834 A RU 2025114834A RU 2025114834 A RU2025114834 A RU 2025114834A RU 2849998 C1 RU2849998 C1 RU 2849998C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- terminal
- winding
- anode
- magnetic element
- cathode
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к электротехнике, в частности к регуляторам постоянного напряжения и может быть использовано в системах вторичного электропитания для регулирования и стабилизации постоянного выходного напряжения.The invention relates to electrical engineering, in particular to constant voltage regulators, and can be used in secondary power supply systems for regulating and stabilizing constant output voltage.
Известны регуляторы постоянного напряжения, понижающие выходное напряжение по отношению к входному постоянному напряжению [1].There are known DC voltage regulators that reduce the output voltage in relation to the input DC voltage [1].
Недостатком известных регуляторов постоянного напряжения, понижающего типа, является невозможность формирования прямоугольного тока в обмотках магнитного элемента, уменьшения напряжения на регулирующем ключе, снижение динамических и статических потерь The disadvantage of known step-down DC voltage regulators is the impossibility of generating a rectangular current in the windings of the magnetic element, reducing the voltage on the regulating key, and reducing dynamic and static losses.
Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому устройству понижающий регулятор постоянного напряжения [1].The closest in technical essence to the proposed device is a step-down DC voltage regulator [1].
Цель изобретения - формирование прямоугольного тока в обмотках магнитного элемента, уменьшение напряжения на регулирующих ключах, снижение динамических и статических потерь. The purpose of the invention is to form a rectangular current in the windings of a magnetic element, reduce the voltage on the control keys, and reduce dynamic and static losses.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство введен двухобмоточный магнитный элемент с двумя диодами так что, первая из обмоток через регулирующий ключ началом подключена к положительному выводу входного источника постоянного напряжения, концом к конденсатору фильтра с параллельно включенной нагрузкой, второй вывод которого подключен к отрицательному выводу входного источника постоянного напряжения, образующему общую шину, общая точка соединения начала первой обмотки с регулирующим ключом, соединена с катодом шунтирующего диода, анод которого подключен к двум последовательно включенным конденсаторам, параллельно которым включены два последовательно включенных выпрямительных диода, катодом подключенных к общей точке соединения анода шунтирующего диода с последовательно соединенными конденсаторами, а анодом к общей шине, при этом к общим точкам соединения двух конденсаторов и двух выпрямительных диодов включена вторая обмотка магнитного элемента, началом к общей точке соединения конденсаторов, а концом к общей точке соединения выпрямительных диодов. Регулирующий ключ, первичная обмотка магнитного элемента, шунтирующий диод, образуют электрическое соединение, которое многократно повторяется, в предлагаемом регуляторе постоянного напряжения. The stated objective is achieved by introducing a two-winding magnetic element with two diodes into the device so that the first of the windings is connected by the start to the positive terminal of the input source of direct voltage through the regulating key, by the end to the filter capacitor with a parallel-connected load, the second terminal of which is connected to the negative terminal of the input source of direct voltage, forming a common bus, the common connection point of the start of the first winding with the regulating key is connected to the cathode of the shunt diode, the anode of which is connected to two series-connected capacitors, in parallel to which two series-connected rectifier diodes are connected, the cathode of which is connected to the common connection point of the anode of the shunt diode with the series-connected capacitors, and the anode to the common bus, wherein the second winding of the magnetic element is connected to the common connection points of the two capacitors and two rectifier diodes, by the start to the common connection point of the capacitors, and by the end to the common connection point of the rectifier diodes. The regulating key, the primary winding of the magnetic element, and the shunt diode form an electrical connection that is repeated many times in the proposed DC voltage regulator.
На фиг.1 показана принципиальная электрическая схема предлагаемого понижающего регулятора постоянного напряжения повышенной эффективности и мощности.Fig. 1 shows the basic electrical circuit diagram of the proposed step-down DC voltage regulator with increased efficiency and power.
На фиг.2 показана осциллограмма сформированной, прямоугольной формы тока магнитного элемента.Fig. 2 shows an oscillogram of the generated rectangular waveform of the magnetic element current.
В нем (фиг.1) регулирующий ключ 1, линейную индуктивность 2 содержащую две обмотки 3, 4, первая из которых через регулирующий ключ 1, началом подключена к положительному выводу входного источника постоянного напряжения, концом к конденсатору фильтра 5 с параллельно включенной нагрузкой 6, второй вывод которого подключен к отрицательному выводу входного источника постоянного напряжения, образующему общую шину, общая точка соединения начала первой обмотки 3 с регулирующим ключом, соединена с катодом шунтирующего диода 7, анод которого подключен к первому выводу первого конденсатора 8, второй вывод которого подключен к первому выводу второго конденсатора 9, второй вывод которого подключен к общей шине, а общая точка соединения конденсаторов 8, 9 подключена к началу второй обмотки 4, конец которой подключен к аноду первого выпрямительного диода 10, катод которого подключен к аноду шунтирующего диода 7, конец второй обмотки 4 подключен также к катоду второго выпрямительного диода 11, анод которого соединен с общей шиной. Регулирующий ключ 1, шунтирующий диод 7, обмотка 3 магнитного элемента 2 образует электрическое соединение 12, которое может быть повторено n-раз, например, в виде регулирующего ключа 13, обмотки 14, шунтирующего диода 15. In it (Fig. 1) a regulating key 1, a linear inductance 2 containing two windings 3, 4, the first of which, through the regulating key 1, is connected by the beginning to the positive terminal of the input source of direct voltage, by the end to the filter capacitor 5 with a parallel-connected load 6, the second terminal of which is connected to the negative terminal of the input source of direct voltage, forming a common bus, the common connection point of the beginning of the first winding 3 with the regulating key, is connected to the cathode of the shunt diode 7, the anode of which is connected to the first terminal of the first capacitor 8, the second terminal of which is connected to the first terminal of the second capacitor 9, the second terminal of which is connected to the common bus, and the common connection point of the capacitors 8, 9 is connected to the beginning of the second winding 4, the end of which is connected to the anode of the first rectifier diode 10, the cathode of which is connected to the anode of the shunt diode 7, the end of the second winding 4 is also connected to the cathode of the second rectifier diode 11, the anode of which is connected to the common bus. The regulating key 1, the shunt diode 7, and the winding 3 of the magnetic element 2 form an electrical connection 12, which can be repeated n times, for example, in the form of the regulating key 13, winding 14, and shunt diode 15.
Принцип действия предлагаемого понижающего регулятора постоянного напряжения повышенной эффективности и мощности рассмотрим исходя из предположения идеальности ключевых элементов, установившегося режима работы и непрерывности изменения магнитного потока в сердечнике линейной индуктивности.The operating principle of the proposed step-down DC voltage regulator with increased efficiency and power will be considered based on the assumption of ideal key elements, steady-state operating mode, and continuous change of magnetic flux in the core of the linear inductor.
Обозначим через D относительную к периоду T длительность включенного состояния регулирующего ключа 1. Let us denote by D the duration of the on state of the regulating switch 1 relative to the period T.
При замкнутом состоянии регулирующего ключа 1 в течение времени DT одновременно протекают два процесса - накопление магнитной энергии в линейной индуктивности 2 по обмотке 3, от входного напряжения VIN с передачей энергии в нагрузку и заряд конденсатора 9 от вторичной обмотки 4 магнитного элемента 2 через выпрямительный диод 11 до напряжения nVIN(1-D).When the regulating switch 1 is closed, during the time DT, two processes occur simultaneously: accumulation of magnetic energy in the linear inductance 2 along the winding 3, from the input voltage V IN with the transfer of energy to the load, and charging of the capacitor 9 from the secondary winding 4 of the magnetic element 2 through the rectifier diode 11 to the voltage nV IN (1-D).
После выключения регулирующего ключа 1 происходит переполюсовка эдс на всех обмотках магнитного элемента и включение шунтирующего диода 7 и выпрямительного диода 10, находящихся в проводящем состоянии в течение времени (1-D)T, в течение которого происходит выведение накопленной энергии в магнитном элементе через шунтирующий диод 7, в конденсатор 5 и нагрузку 10. After the regulating switch 1 is turned off, the polarity of the emf is reversed on all windings of the magnetic element and the shunt diode 7 and rectifier diode 10 are turned on, which are in a conducting state for a time (1-D)T, during which the accumulated energy in the magnetic element is released through the shunt diode 7 into the capacitor 5 and load 10.
В результате описанного процесса на конденсаторе 8 устанавливается напряжение nVIND/(1+n), а на нагрузке VIN(n+D)/(1+n), а на регулирующем ключе в выключенном состоянии VIN/(1+n), где n-отношение числа витков обмотки 4 к числу витков обмотки 3, повышенной эффективности и мощности. As a result of the described process, a voltage of nV IN D/(1+n) is established on the capacitor 8, and V IN (n+D)/(1+n) on the load, and V IN /(1+n) on the regulating key in the off state, where n is the ratio of the number of turns of winding 4 to the number of turns of winding 3, increased efficiency and power.
В данном понижающем регуляторе постоянного напряжения повышенной эффективности и мощности на интервале времени DT включенного состояния регулирующего ключа 1 одновременно идут два процесса намагничивания магнитного элемента 2 по обмотке 3 от разности напряжений (VIN - V0) и по обмотке 4 от напряжения на конденсаторе 9 через выпрямительный диод 11, приводящий к компенсации нарастающего тока намагничивания по обмотке 3, что приводит к прямоугольной форме тока, через регулирующий ключ 1. Аналогичный процесс протекает на интервале времени (1-D)T выключенного состояния регулирующего ключа 1 и проводящего состояния шунтирующего диода 7, когда идет процесс размагничивания магнитного элемента 2 по обмотке 3 и выведение накопленной энергии в выходную цепь, и дополнительно по обмотке 4 через выпрямительный диод 10 в конденсатор 8, что приводит к компенсации изменений тока в обмотке 3 и прямоугольной форме тока через обмотку 3, показанной на фиг.2. Прямоугольная форма тока трансформируется во все обмотки дополнительно введенных регулирующих ключей обеспечивая равномерное распределение токов через них. In this step-down DC voltage regulator of increased efficiency and power, during the time interval DT of the on state of the regulating switch 1, two processes of magnetization of the magnetic element 2 occur simultaneously along the winding 3 from the voltage difference (V IN - V 0 ) and along the winding 4 from the voltage on the capacitor 9 through the rectifier diode 11, leading to compensation of the increasing magnetization current along the winding 3, which leads to a rectangular current shape, through the regulating switch 1. A similar process occurs during the time interval (1-D)T of the off state of the regulating switch 1 and the conducting state of the shunt diode 7, when the process of demagnetization of the magnetic element 2 occurs along the winding 3 and the removal of the accumulated energy into the output circuit, and additionally along the winding 4 through the rectifier diode 10 into the capacitor 8, which leads to compensation of the current changes in the winding 3 and a rectangular current shape through the winding 3, shown in Fig. 2. The rectangular current waveform is transformed into all windings of additionally introduced control keys, ensuring uniform distribution of currents through them.
Таким образом, в предлагаемом понижающем регуляторе постоянного напряжения повышенной эффективности и мощности осуществляется формирование прямоугольного тока в обмотках магнитного элемента и их равномерное распределение через регулирующие ключи, уменьшение напряжения на регулирующих ключах в проводящем состоянии, снижение статических и динамических потерь в регулирующем ключе с одновременным снижением напряжения на нем в выключенном состоянии. Thus, in the proposed step-down DC voltage regulator of increased efficiency and power, a rectangular current is formed in the windings of the magnetic element and uniformly distributed through the control keys, the voltage on the control keys in the conducting state is reduced, static and dynamic losses in the control key are reduced with a simultaneous reduction in the voltage on it in the off state.
1. Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразователи в устройствах электропитания РЭА, “Радио и связь”, 1989, стр. 8 рис. 1.6. 1. Polikarpov A.G., Sergienko E.F. Single-stroke converters in power supply devices of electronic equipment, “Radio and Communications”, 1989, p. 8, Fig. 1.6.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2849998C1 true RU2849998C1 (en) | 2025-11-01 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4809148A (en) * | 1987-10-21 | 1989-02-28 | British Columbia Telephone Company | Full-fluxed, single-ended DC converter |
| US9450495B2 (en) * | 2012-12-28 | 2016-09-20 | Solum Co., Ltd | Single stage forward-flyback converter and power supply apparatus for light emitting diode |
| RU2833063C1 (en) * | 2024-07-07 | 2025-01-14 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Инпут Трансформейшн Аутпут Корпорейшн" | Constant voltage converter with active clamping |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4809148A (en) * | 1987-10-21 | 1989-02-28 | British Columbia Telephone Company | Full-fluxed, single-ended DC converter |
| US9450495B2 (en) * | 2012-12-28 | 2016-09-20 | Solum Co., Ltd | Single stage forward-flyback converter and power supply apparatus for light emitting diode |
| RU2833063C1 (en) * | 2024-07-07 | 2025-01-14 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Инпут Трансформейшн Аутпут Корпорейшн" | Constant voltage converter with active clamping |
| RU2835158C1 (en) * | 2024-08-17 | 2025-02-24 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Инпут Трансформейшн Аутпут Корпорейшн" | Magnetically coupled step-down constant voltage regulator |
| RU2836034C1 (en) * | 2024-09-18 | 2025-03-11 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Инпут Трансформейшн Аутпут Корпорейшн" | Single-cycle constant voltage converter |
| RU2836037C1 (en) * | 2024-10-04 | 2025-03-11 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Инпут Трансформейшн Аутпут Корпорейшн" | Forward single-stroke constant voltage converter with adjustable input voltage |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2849998C1 (en) | High-efficiency and high-power step-down dc voltage regulator | |
| RU2842692C1 (en) | Constant voltage step-down regulator | |
| RU2834005C1 (en) | Magnetically coupled constant voltage regulator of step-up type | |
| RU2835157C1 (en) | Step-up constant voltage regulator | |
| RU2836853C1 (en) | Magnetically coupled constant voltage regulator of step-up type | |
| RU2835159C1 (en) | Step-up constant voltage regulator | |
| RU2835160C1 (en) | Step-down constant voltage regulator | |
| RU2835572C1 (en) | Step-up constant voltage regulator | |
| RU2835573C1 (en) | Magnetically coupled step-down constant voltage regulator | |
| RU2835158C1 (en) | Magnetically coupled step-down constant voltage regulator | |
| RU2815075C1 (en) | High-efficiency step-up pulse constant voltage regulator | |
| RU2815910C1 (en) | Step-up constant voltage regulator | |
| RU2836034C1 (en) | Single-cycle constant voltage converter | |
| RU2833063C1 (en) | Constant voltage converter with active clamping | |
| RU2835575C1 (en) | Magnetically coupled constant voltage converter with active clamping | |
| RU2809337C1 (en) | Dc-dc converter with active clamping | |
| RU2806668C1 (en) | Dc-dc converter with active clamping | |
| RU2815076C1 (en) | Step-up constant voltage pulse regulator | |
| RU2837260C1 (en) | Forward single-stroke constant voltage converter with adjustable input voltage | |
| RU2823794C1 (en) | Forward converter of constant voltage with energy transfer in pulse | |
| RU2835574C1 (en) | Magnetically coupled step-down constant voltage regulator | |
| RU2812962C1 (en) | Bipolar dc voltage regulator | |
| RU2833626C1 (en) | Constant voltage converter with active clamping | |
| RU2822282C1 (en) | Transformer flyback dc voltage converter with active clamping | |
| RU2815073C1 (en) | Bipolar constant voltage regulator |