Широтно-импульсный модулятор

Использование: в электротехнике при построении устройств управления импульсных источников электропитания. Существо полезной модели: предложен широтно-импульсный модулятор, который содержит источник питания 1, регулирующий элемент 2, ограничительный резистор 3, источник тока контролируемой цепи 4, резисторный датчик тока 5, частотозадающие конденсатор 6 и резистор 7, диод 8 и КМОП-микросхему 9, содержащую более двух инверторов И1 - Иn; в широтно-импульсном модуляторе первый вывод питания микросхемы 9 соединен с первыми выводами регулирующего элемента 2 и источника питания 1, второй вывод питания микросхемы 9 соединен со вторыми выводами ограничительного резистора 3 и источника питания 1; второй вывод регулирующего элемента 2 соединен с первым выводом ограничительного резистора 3 и вторыми выводами источника тока контролируемой цепи 4 и резисторного датчика тока 5, первые выводы которых подключены к входу третьего инвертора И3; выход третьего инвертора И3 соединен с катодом диода 8, анод которого соединен с входом первого инвертора И1; его выход подключен к входу второго инвертора И2, выход которого является выходом ШИМ; частотозадающий конденсатор 6 подключен между входом первого инвертора И1 и выходом второго инвертора И2; частотозадающий резистор 7 подключен между входом и выходом первого инвертора И1.

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована при построении устройств управления импульсных источников электропитания.

Известен широтно-импульсный модулятор (ШИМ), содержащий генератор линейно изменяющегося напряжения, усилитель сигнала обратной связи, компаратор защиты по току и компаратор широтно-модулированного сигнала [1, 2]. ШИМ используется при построении устройств управления импульсных источников питания для выработки сигналов управления силовыми ключами.

К недостаткам указанного технического решения можно отнести реализацию его на аналоговых функциональных узлах (усилители, компараторы, генераторы линейно изменяющегося напряжения), которые независимо от режима работы непрерывно потребляют ток. В результате весь узел ШИМ потребляет относительно большой ток (десятки миллиампер). Это снижает общий КПД источника питания, усложняет его, заставляя вводить дополнительный низковольтный канал напряжения специально для питания ШИМ. Если, к тому же, модулятор работает на высокой частоте (сотни килогерц), вышеупомянутые функциональные узлы его выполняются на биполярных транзисторах, что еще больше увеличивает потребление энергии. Перечисленные недостатки сужают функциональные возможности и область применимости рассмотренного технического решения.

Наиболее близким по технической сущности и решаемой технической задаче является известный ШИМ устройства управления импульсным источником питания, приведенный в [3]. Его функциональная схема показана на фиг.1. Широтно-импульсный модулятор содержит источник питания, регулирующий элемент, первый вывод которого соединен с первым выводом источника питания, а второй вывод - с первым выводом ограничительного резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом суммирующего резистора, второй вывод которого соединен с первыми выводами источника тока контролируемой цепи и резисторного датчика тока, вторые выводы которых соединены со вторым выводом источника питания, КМОП-микросхема, содержащая более двух инверторов, первый вывод питания которой соединен с первым выводом источника питания, а второй вывод питания - со вторым выводом источника питания, выход первого инвертора соединен с входом второго инвертора, выход которого является выходом ШИМ, частотозадающий конденсатор, подключенный между входом первого инвертора и выходом второго инвертора, частотозадающий резистор, подключенный между входом и выходом первого инвертора и транзистор, первый электрод которого подключен к входу первого инвертора,

второй электрод - ко второму выводу источника питания, а управляющий электрод - к первому выводу суммирующего резистора.

На функциональной схеме ШИМ, приведенной в [3], регулирующий элемент выполнен на фототранзисторе оптрона VT2 с резистором R8, ограничительным резистором является резистор R5, транзистором - транзистор VT1, суммирующим резистором - резистор R6, источник тока контролируемой цепи выполнен на трансформаторе тока ТА1 и диоде VD3, а резисторным датчиком тока является резистор R7. Роль частотозадающих конденсатора и резистора выполняют соответственно элементы С3 и R4, а первого и второго инверторов - инверторы D1 и D2 соответственно. Питается ШИМ энергией, аккумулированной в конденсаторе С1, который заряжается от внешнего источника энергии через резистор R2.

Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются источник питания, регулирующий элемент, первый вывод которого соединен с первым выводом источника питания, а второй вывод - с первым выводом ограничительного резистора, источник тока контролируемой цепи, первый и второй выводы которого соединены соответственно с первым и вторым выводами резисторного датчика тока, КМОП-микросхема, содержащая более двух инверторов, первый вывод питания которой соединен с первым выводом источника питания, а второй вывод питания - со вторым выводом источника питания, выход первого инвертора соединен с входом второго инвертора, выход которого является выходом широтно-импульсного модулятора, частотозадающий конденсатор, подключенный между входом первого инвертора и выходом второго инвертора, частотозадающий резистор, подключенный между входом и выходом первого инвертора.

На первом и втором инверторах выполнен задающий генератор прямоугольных импульсов, исходная длительность импульса и паузы которого определяется номиналами частотозадающих резистора и конденсатора. Временная диаграмма напряжения на выходе задающего генератора, выход которого является выходом ШИМ, показана на фиг.2а. Источник тока контролируемой цепи измеряет мгновенное значение тока в цепи силового ключа. Мгновенное значение напряжения на датчике тока пропорционально значению указанного тока и показано на фиг.2б. Во время единичного состояния на выходе ШИМ силовой ключ открыт, ток в контролируемой цепи увеличивается, во время нулевого состояния на выходе ШИМ силовой ключ закрыт, и ток в контролируемой цепи отсутствует. Максимальному значению тока в контролируемой цепи I _макс соответствует напряжение на датчике тока, равное напряжению «база-эмиттер» открытого транзистора U_{бэ откр}0,6 Вольт. При включении питания сначала ШИМ вырабатывает импульсы максимальной длительности, и напряжение на датчике тока увеличивается, оставаясь меньше напряжения открывания транзистора U_{бэ откр} (фиг.2в). Сигнал обратной связи отсутствует. Сопротивление регулирующего элемента чрезвычайно велико. Если во время очередного рабочего такта указанное выше значение U_{бэ откр}0,6 Вольт будет

достигнуто, транзистор откроется, и на выходе ШИМ будет принудительно установлено нулевое состояние. Силовой ключ закроется, что и защитит его от перегрузок по току. Когда регулируемый параметр ШИМ, например, выходное напряжение импульсного источника питания, достигнет своего номинального значения, появится сигнал обратной связи, сопротивление регулирующего элемента уменьшится и протекающий через него ток создаст на базе транзистора постоянное смещение. Поскольку предельное значение напряжения на базе транзистора не может быть более 0,6 Вольт, должна будет уменьшиться амплитуда импульсной составляющей напряжения - падения напряжения на резисторном датчике тока. А это, в свою очередь, может быть достигнуто только уменьшением длительности импульса на выходе ШИМ. Таким образом, изменяя степень проводимости регулирующего элемента можно в широких пределах изменять длительность выходного импульса ШИМ.

К недостаткам рассматриваемого технического решения относится температурная зависимость максимального тока в контролируемой цепи I_макс. Она обусловлена тем, что напряжение U_{бэ откр} дрейфует при изменении температуры со скоростью около -2,2 мВ/°С. При изменении температуры ШИМ от -60°С до +100°С это изменение составит примерно 50%. Во столько же раз изменится и значение максимального тока в контролируемой цепи.

Другой важный недостаток указанного технического решения состоит в том, что для уменьшения тока, потребляемого ШИМ от источника питания, транзистор должен работать в режиме малых токов. Однако при этом увеличивается время его закрывания, т.к. рассасывание избыточного заряда в областях базы и коллектора происходит именно током. Указанная особенность не позволяет уменьшить минимальную длительность выходного импульса ШИМ менее некоторого значения (для рассматриваемого устройства оно составляет около 2 мкс). Это ограничивает максимальную частоту работы ШИМ, ухудшает его динамические характеристики при малых длительностях выходного импульса, т.е. сужает его функциональные возможности.

Еще один недостаток рассматриваемого ШИМ состоит в следующем. Импульсная составляющая напряжения на базе транзистора Цбэ имп, поступающая с резисторного датчика тока, определяется из выражения:

U_{бэ имп}=U _рдт*(R_огр+R_рег )/(R+R_огр+R_peг ), где

U_рдт - напряжение на резисторном датчике тока;

R - сопротивление суммирующего резистора;

R _огр - сопротивление ограничительного резистора;

R _peг - сопротивление регулирующего элемента;

С увеличением сигнала обратной связи возрастает степень открывания регулирующего элемента, т.е. уменьшается его сопротивление. При этом увеличивается постоянное смещение на базе транзистора и уменьшается амплитуда импульсной составляющей, выделяемой на резисторном датчике тока. Однако, как следует из приведенного выражения, амплитуда и крутизна

линейно возрастающей части импульсной составляющей на базе транзистора уменьшаются в еще большей степени. Это, в свою очередь, снижает устойчивость при работе в режиме короткого выходного импульса и максимальную частоту работы.

Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение температурной стабильности выходных параметров, максимальной рабочей частоты, расширение области устойчивой работы и увеличение функциональных возможностей ШИМ.

Поставленная техническая задача решается тем, что предлагается ШИМ, содержащий источник питания, регулирующий элемент, первый вывод которого соединен с первым выводом источника питания, а второй вывод - с первым выводом ограничительного резистора, источник тока контролируемой цепи, первый и второй выводы которого соединены соответственно с первым и вторым выводами резисторного датчика тока, КМОП-микросхема, содержащая более двух инверторов, первый вывод питания которой соединен с первым выводом источника питания, а второй вывод питания - со вторым выводом источника питания, выход первого инвертора соединен с входом второго инвертора, выход которого является выходом широтно-импульсного модулятора, частотозадающий конденсатор, подключенный между входом первого инвертора и выходом второго инвертора, частотозадающий резистор, подключенный между входом и выходом первого инвертора, причем в него введены третий инвертор и диод, причем его анод подключен к входу первого инвертора, а катод - к выходу третьего инвертора, вход которого соединен с первым выводом резисторного датчика тока, второй вывод которого соединен с первым выводом ограничительного резистора, второй вывод которого подключен ко второму выводу источника питания.

Введение в устройства дополнительных элементов и новых неочевидных связей позволили устранить температурную зависимость выходных параметров, расширить область устойчивой работы ШИМ, увеличить максимальную рабочую частоту, что расширяет его функциональные возможности.

Заявитель не обнаружил технических решений, имеющих сходные признаки с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, а, следовательно, предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями.

Предлагаемое устройство изготавливается из стандартных элементов, которые серийно выпускаются промышленностью. Оно собирается типовыми монтажными операциями с помощью стандартного оборудования и не требует регулировки, что особенно важно при серийном производстве. Поэтому предлагаемое устройство удовлетворяет критерию промышленной применимости.

На фиг.3 приведена функциональная схема предлагаемого ШИМ.

Предлагаемый широтно-импульсный модулятор содержит источник питания 1, регулирующий элемент 2, ограничительный резистор 3, источник

тока контролируемой цепи 4, резисторный датчик тока 5, частотозадающие конденсатор 6 и резистор 7, диод 8 и КМОП-микросхему 9, содержащую более двух инверторов И1 - Иn.

В предлагаемом ШИМ первый вывод питания микросхемы 9 соединен с первыми выводами регулирующего элемента 2 и источника питания 1, второй вывод питания микросхемы 9 соединен со вторыми выводами ограничительного резистора 3 и источника питания 1. Второй вывод регулирующего элемента 2 соединен с первым выводом ограничительного резистора 3 и вторыми выводами источника тока контролируемой цепи 4 и резисторного датчика тока 5, первые выводы которых подключены к входу третьего инвертора И3. Выход третьего инвертора И3 соединен с катодом диода 8, анод которого соединен с входом первого инвертора И1, выход которого подключен к входу второго инвертора И2, выход которого является выходом ШИМ. Частотозадающий конденсатор 6 подключен между входом первого инвертора И1 и выходом второго инвертора И2. Частотозадающий резистор 7 подключен между входом и выходом первого инвертора И1.

В качестве регулирующего элемента 2, как и в прототипе, может быть применен какой-либо элемент, изменяющий свое сопротивление, например, фототранзистор или фотодиод оптрона, магнитодиод и т.д. Источником тока контролируемой цепи 4 может служить, например, трансформатор тока, первичная обмотка которого включена в защищаемую силовую цепь.

Работа предлагаемого ШИМ сходна с работой прототипа и может быть описана с помощью временных диаграмм, показанных на фиг.2. При включении сигнал обратной связи отсутствует, регулирующий элемент 2 закрыт, напряжение на ограничительном резисторе 3 практически равно 0. На выходе ШИМ вырабатываются прямоугольные импульсы максимальной длительности, как и у прототипа (фиг.2а). Временная диаграмма тока контролируемой цепи (или напряжения на резисторном датчике тока 5) показана на фиг.2б. Отличие состоит в том, что максимальному значению тока соответствует напряжение на резисторном датчике тока не U_{бэ откр}0,6 Вольт, как у прототипа, а пороговое напряжение микросхемы. При достижении мгновенным значением указанного напряжения пороговой величины (для КМОП-микросхем это значение составляет 0,4...0,5 от напряжения их питания) выход инвертора И3, а вслед за ним и выход ШИМ устанавливаются состояние логического 0, ограничивая тем самым увеличение тока в контролируемой цепи. Однако, поскольку порог КМОП-микросхем практически не зависит от температуры [4], предлагаемый ШИМ сохраняет значение максимального тока в контролируемой цепи I_макс во всем диапазоне рабочих температур, что выгодно отличает его от прототипа.

Поскольку входное сопротивление КМОП-инвертора чрезвычайно велико (10 ⁹...10¹⁰ Ом), мгновенное значение напряжения на входе инвертора ИЗ равно сумме падения напряжения на ограничительном резисторе 3 и резисторном датчике тока 5:

U_{вх ИЗ}=U_огр+U _рдт.

При изменении сопротивления регулирующего элемента 2 во время работы ШИМ на входе третьего инвертора И3 изменяется постоянное смещение U_огр. Однако, амплитуда и крутизна линейно возрастающего участка импульсной его составляющей U_рдт, как следует из выражения, не зависит от величины сопротивления регулирующего элемента 2. Это означает, что предлагаемый ШИМ имеет постоянную устойчивость, не зависящую от длительности выходного импульса, что расширяет его функциональные возможности.

Поскольку задержка при переключении элементов КМОП-микросхемы не зависит от величины коммутируемого ими тока и существенно меньше, чем у биполярного транзистора в режиме микротоков, минимальная длительность выходного импульса предлагаемого ШИМ значительно меньше, чем у прототипа. Испытанный образец ШИМ имеет минимальную длительность выходного импульса около 0,5 мкс, что в 4 раза меньше, чем у прототипа. Это позволяет значительно увеличить максимальную рабочую частоту, либо при том же самом значении частоты получать в четыре раза меньшую длительность выходного импульса, что расширяет функциональные возможности устройства. Причем потребляемый ШИМ ток остается на том же уровне, что и у прототипа.

Кроме того, поскольку производящиеся с настоящее время КМОП-микросхемы всегда содержат более трех инверторов (до шести), электрическая схема предлагаемого ШИМ реализуется по-прежнему на одной микросхеме, но по сравнению с прототипом здесь исключены транзистор и суммирующий резистор R, что сокращает общее количество элементов и упрощает предлагаемое устройство.

Источники, используемые при написании заявки.

1. Интегральные микросхемы: Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. - М. ДОДЭКА, 1997 г., 224 с. - ISSN-5-87835-0010-6. с.38.

2. Интегральные микросхемы: Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. - М. ДОДЭКА, 1997 г., 224 с. - ISSN-5-87835-0010-6. с.87.

3. А.А.Миронов. Опыт разработки управляющей схемы для модулей электропитания постоянного тока. Научно-технический сборник «Электропитание». Вып.3, с.76-79. - М., 2001 г.

4. Зельдин Е.А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1986. - стр.77.

Широтно-импульсный модулятор, содержащий источник питания, регулирующий элемент, первый вывод которого соединен с первым выводом источника питания, а второй вывод - с первым выводом ограничительного резистора, источник тока контролируемой цепи, первый и второй выводы которого соединены соответственно с первым и вторым выводами резисторного датчика тока, КМОП-микросхема, содержащая более двух инверторов, первый вывод питания которой соединен с первым выводом источника питания, а второй вывод питания - со вторым выводом источника питания, выход первого инвертора соединен с входом второго инвертора, выход которого является выходом широтно-импульсного модулятора, частотозадающий конденсатор, подключенный между входом первого инвертора и выходом второго инвертора, частотозадающий резистор, подключенный между входом и выходом первого инвертора, отличающийся тем, что, с целью повышения температурной стабильности выходных параметров, максимальной рабочей частоты, расширения области устойчивой работы и увеличения функциональных возможностей широтно-импульсного модулятора в него введены третий инвертор, диод, анод которого подключен к входу первого инвертора, а катод - к выходу третьего инвертора, вход которого соединен с первым выводом резисторного датчика тока, второй вывод которого соединен с первым выводом ограничительного резистора, второй вывод которого подключен ко второму выводу источника питания.