Brevet FR2562284A1 — publié le 19851004

Régulateur prédictif de retour à modulation d'impul- sions en durée. La présente invention concerne la technique des circuits prédictifs et, plus particulièrement, la technique des circuits prédictifs pour régulateurs à modulation d'impulsions en durée dans les alimenta- tions en courant continu. La modulation d'impulsions en durée est une technique bien connue pour la régulation de tension de courant continu, dans laquelle une tension de sor- tie constante est efficacement maintenue en dépit des importantes variations survenant dans la tension d'entrée et le courant de sortie. Les régulateurs de tension dans lesquels on fait appel à des techni- ques de modulation d'impulsions en durée, sont large- ment utilisés dans les alimentations en courant des- servant des systèmes électroniques complexes. Il existe différents types de modulateurs d'impulsions en durée mais, d'une manière générale, ils utilisent tous une commutation par semi-conduc- teurs pour engendrer des impulsions de courant et de tension de sortie rectangulaires qui sont efficace- ment commutées par un réseau de filtrage à inducteur/ condensateur afin d'obtenir un niveau de tension de sortie de courant continu constant. L'amplitude de la tension de sortie est contrôlée par le temps de mise sous tension du commutateur à semi-conducteurs, Pour maintenir ce niveau de tension de sortie constant, on utilise habituellement un système à contre-réaction. Dans un tel système, une fraction fixe de la tension de sortie doit être comparée avec une tension de référence stable en vue d'engendrer un signal d'erreur qui contrôle alors efficacement le temps de mise sous tension du commutateur à semi- conducteurs. L'étage de puissance de commutation conven- tionnel fonctionne pour commuter un transistor entre les états de mise en et hors circuit, tandis qu'il lisse les impulsions de sortie de ce transistor à une valeur moyenne de courant continu qui est fonction du temps de mise en ou hors circuit. Le lissage desim- pulsions de sortie est effectué par un circuit de fil- trage conventionnel qui établit la moyenne des ampli- tudes des impulsions de commutation en vue de produi- re une tension de sortie constante. La réinjection d'un signal d'erreur a lieu à l'intervention d'un comparateur et d'un amplificateur d'erreur fonctionnant à une fréquence de commutation nominale atteignant de nombreuses fois la fréquence de réseau, par exemple, aux alentours de 20 kHz à kHz. L'amplificateur d'erreur fonctionne essen- tiellement pour forcer le signal d'erreur à zéro et pour forcer la sortie du commutateur (réinjectée à travers une résistance, par exemple) à une valeur égale à la tension de référence. Lorsque la tension de sortie du commutateur tombe à un niveau trop bas, l'amplificateur d'erreur met le transistor de commuta- tion en circuit; lorsque la tension de sortie s'élève à un niveau trop élevé, le transistor de commutation est mis hors circuit. Une oscillation et une régulation fiables sont assurées dans ces circuits soit en maintenant constante la fréquence des impulsions du commutateur et en ne laissant varier que la durée d'impulsion (temps de "mise en circuit"'), soit en maintenant cons- tante la durée d'impulsion et en ne laissant varier que la fréquence des impulsions. Les régulateurs de commutation du type dé- crit ci-dessus peuvent être mis en oeuvre en utili- sant un élément de commutation en série ou en paral- lèle, suivant les connaissances courantes de la techni- que. Une méthode permettant d'obtenir. une durée d'impulsion variable consiste à comparer la sortie de l'amplificateur d'erreur avec une onde triangulaire, le temps de mise en circuit du transistor de commuta- tion étant déterminé par le temps pendant lequel l'on- de triangulaire est inférieure à la sortie de l'ampli- ficateur d'erreur. Bien que ces circuits de la technique anté- rieure soient efficaces pour de nombreuses applica- tions, le temps de réponse aux variations survenant dans la tension d'entrée est trop long. Dans de nom- breux cas, le temps de mise sous tension du transis- tor de commutation est par conséquent également trop long pour compenser efficacement les changements sur- venant dans la tension d'entrée. En conséquence, un objet de la présente inven- tion est d'établir un circuit régulateur de commutation qui est efficace pour répondre rapidement à des fluc- tuations de tension d'entrée. Un autre objet de la présente invention est d'acheminer une partie de la tension d'entrée dans un circuit régulateur de commutation en vue d'in- fluencer le temps de mise sous tension du transistor de commutation de ce circuit dans le sens d'une meil- leure sensibilité aux changements survenant dans la tension d'entrée. Un autre objet encore de la présente inven- tion est d'annuler l'effet qu'exerce un changement survenant dans la tension d'entrée dans un circuit ré- gulateur de commutation. La présente invention permet de réaliser les objets précités, y compris l'établissement d'une ré- ponse plus efficace et plus rapide aux changements survenant dans la tension d'entrée, en acheminant une partie de la tension d'entrée à un point critique du réseau à réaction contrôlant le temps de mise sous tension du transistor de commutation. En particulier, la tension d'entrée est ache- minée à un point situé au-delà de la sortie de l'ampli- ficateur d'erreur. La sortie de l'amplificateur d'er- reur est appliquée à une entrée du comparateur, tandis que la tension d'entrée est acheminée à travers une résistance sélectionnée pour se combiner avec la sor- tie d'une autre résistance connectée à la tension de sortie et être ensuite appliquée à une autre entrée du comparateur. Le comparateur compare la tension d'entrée de contrôle provenant de l'amplificateur d'erreur avec le niveau de tension en dents de scie tel qu'il est modifié sous l'influence à la fois des tensions d'entrée et de sortie, pour émettre ensuite un signal destiné à modifier l'état du transistor de commutation, chaque fois que le niveau de la forme d'onde en dents de scie s'élève au-delà ou descend en dessous de la tension de contrôle. Si la tension de contrôle avec laquelle la tension en dents de scie est comparée, change, le temps de "mise en circuit" du transistor de commutation change également, modifiant ainsi efficacement la longueur de son temps de mise sous tension afin de maintenir la tension de sortie constante. L'invention sera mieux comprise en se réfé- rant aux dessins annexés dans lesquels: les figures 1A et lB illustrent respective- ment un circuit prédictif dévolteur de la technique antérieure et des formes d'ondes de tension asso- ciées; et les figures 2A et 2B illustrent respective- ment un circuit prédictif de retour suivant l'inven- tion et des formes d'ondes de tension associées à ce circuit. La figure 1 illustre un circuit prédictif dévolteur conventionnel de la technique antérieure pour la régulation d'abaissement de tension entre des bornes d'entrée et de sortie 12 et 13 respective- ment. Ce circuit comprend un condensateur d'entrée 17 destiné à filtrer les bruits d'entrée et qui est rac- cordé à un transistor de commutation approprié 23. Le transistor de commutation 23 fonctionne sur la base d'un temps de mise sous tension ainsi qu'on le décrira ci-après, avec une commutation alter- née entre les états de mise "en" et "hors" circuit en fonction d'un signal appliqué à sa base ou à son côté de commande 23(1). La sortie de l'émetteur de ce transistor de commutation 23 qui, dans le cas dé- crit ici, est un transistor de type "npn", est raccor- dée à un inducteur 31, lequel est à son tour raccordé à un condensateur 39 mis à la masse. La sortie du transistor de commutation 23 est en outre raccordée à la cathode d'une diode 41 dont l'anode est mise à la masse. Lorsque le transistor de commutation 23 est "en circuit" et conducteur, la diode 41 est soumise à une polarisation inverse et n'est pas conductrice. En conséquence, le courant provenant du transistor 23 passe à travers l'inducteur 31, chargeant ainsi le condensateur 39 pour se diriger ensuite vers la sortie 13. Lorsque le transistor 23 est hors circuit, l'inducteur 31 maintient le niveau de courant exis- tant au moment o ce transistor 23 était "en circuit". L'inducteur assure ce maintien par prélèvement de cou- rant de la masse via la diode 41 à présent soumiseà une pola- risation directe. Ensuite, à mesure que le courant passant à travers l'inducteur 31 commence à diminuer, le condensateur 39 se charge et commence à alimenter la sortie 13 avec un niveau de compensation de courant pour maintenir la sortie pratiquement au même niveau. Le niveau de la tension de sortie à la borne 13 est contrôlé par un réseau diviseur de tension ou d'échantillonnage comprenant des résistances en série 63 et 67 raccordées respectivement à la masse et entre lesquelles est prévue une prise de sortie 69, Une par- tie sélectionnée de la tension de sortie est ainsi appliquée à un amplificateur d'erreur 71 comparant effi- cacement cette partie de tension avec un niveau de tension de référence. La tension de sortie de contrôle de l'ampli- ficateur d'erreur 71 est appliquée à un comparateur 83 qui contrôle la commutation du transistor 23 sous la direction de la tension de contrôle Vc fournie par l'amplificateur d'erreur 71, ainsi que d'une forme d'onde de tension en dents de scie produite par un générateur de dents de scie 94 comprenant un transis- tor 95 dont l'émetteur est mis à la masse, une résis- tance 96 raccordée à une jonction de tension d'en- trée98, ainsi qu'un condensateur générateur de dents de scie 99. La tension en dents de scie est créée par le générateur de dents de scie 94 agissant sur une courbe d'impulsion établie par un oscillateur 101 ali- mentant la base du transistor 95. La tension de sortie fournie par ce système conventionnel est la partie de la tension d'entrée qui est définie par le rapport du temps au cours duquel le transistor de commutation 23 est "en circuit", à la période de la forme d'onde en dents de scie établie par l'oscillateur 101. Le comparateur 83 garantit que le transistor 23 est "en circuit" chaque fois que la tension de sortie ou de contrôle de l'amplificateur d'erreur 71 dépasse le niveau de la forme d'onde de tension en dents de scie. Dans la configuration de la figure 1, la correction des changements survenant dans la tension d'entrée 98 est effectuée en connectant la résistan- ce d'intégration 96 à la tension d'entrée plutat qu'à une tension de polarisation constante. Dans le cas d'un régulateur dévolteur, il en résulte essentielle- ment une correction parfaite en ce qui concerne les changements survenant dans la tension d'entrée. Dans un tel régulateur dévolteur, la tension de sortie est proportionnelle au produit de la tension d'entrée et du temps de mise en circuit pour un oscillateur à pé- riode constante. En connectant la résistance 96 à la tension d'entrée, la pente et l'amplitude de la ten- sion en dents de scie sont rendues proportionnelles à a tension d'entrée, contraignant ainsi efficacement le temps de mise en circuit à être inversement proportionnel à la tension d'entrée, à une tension de contrôle cons- tante. Etant donné que la tension de sortie est di- rectement proportionnelle à la tension d'entrée multi- pliée par le temps de mise en circuit, lequel est à présent inversement proportionnel à la tension d'entrée, toute variation survenant dans cette dernière est annu- lée immédiatement et complètement, maintenant ainsi la tension de sortie constante. Cette technique de cor- rection prédictive est bien connue et ne fait pas par- tie de la présente invention. Plus particulièrement, dans la configuration de dévoltage, la correction prédictive des changements survenant dans la tension d'entrée 98 est effectuée en connectant la résistance 96 du générateur de dents de scie à la tension d'entrée. Dans un régulateur dé- volteur, la tension de sortie est proportionnelle au produit de la tension d'entrée et du temps de mise en circuit pour un oscillateur à période constante, soit Vout = Vin ton/ (1) o Voutest la tension de sortie 13, Vin est la ten- sion d'entrée 98, ton est le temps de mise en circuit du transistor de commutation 23 et T est la période de l'oscillateur 101 comme illustré en figure 1A. Pour une prédiction exacte, le temps de mise en cir- cuit requis est obtenu d'après l'équation (1), ce qui donne: ton = T V out/Vin (2) En connectant la résistance 96 à la tension d'entrée, la pente et l'amplitude de la tension en dents de scie sont rendues proportionnelles à la ten- sion d'entrée, contraignant ainsi le temps de mise en circuit à être inversement proportionnel à cette der- nière pour une tension de contrôle Vc constante. D'après les formes d'ondes des signaux de contrôle illustrées en figure 1, le temps de mise en circuit est obtenu par l'équation: t =V T/V (3) on c saw et l'amplitude de crête de la tension en dents de scie Vsaw est obtenue par l'équation: saw Vsaw = Vin T/(RT CT) 4 Dès lors, le temps de mise en circuit est défini par l'équation: ton =Vc (RT CT)/Vin o il est dans la forme requise par l'équation (2), c'est-à-dire qu'il est inversement proportionnel à la tension d'entrée. La résolution des constantes donne: V R C =TV (6) c T T = T Vout Pour une période, une tension de sortie et une tension de contrôle désirées, la constante de temps requise RT CT requise du générateur de dents de scie est obtenue par l'équation (6). Etant donné que la tension de sortie est directement proportion- nelle à la tension d'entrée multipliée par le temps de mise en circuit (équation(l)) et que le temps de mise en circuit est à présent inversement proportion- nel à la tension d'entrée (équation 5)), toute varia- tion survenant dans cette dernière est annulée immé- diatement et complètement, maintenant ainsi la tension de sortie constante. Cette technique de correction prédictive est bien connue et ne fait pas partie de la présente invenrion. La figure 2A illustre un circuit convertis- seur prédictif de retour ou survolteur-dévolteur sui- vant la présente invention. La tension d'entrée 98 du circuit de la présente invention est appliquée à un côté d'entrée de l'enroulement primaire L1 d'un transformateur 33 comportant des enroulements d'en- trée et de sortie de polarités opposées. L'autre côté de l'enroulement primaire est raccordé au tran- sistor de commutation 23. Le niveau de tension de sor- tie est élevé du rapport des nombres de spires ("N") entre les côtés secondaire et primaire du transforma- teur 33, multiplié par le rapport entre le temps de mise en circuit et le temps de mise hors circuit. Le circuit convertisseur de retour de la fi- gure 2A nécessite un type de correction prédictive différent de celui utilisé pour le convertisseur dé- volteur de la figure 1, étant donné que la tension de sortie du convertisseur de retour est directement proportionnelle à la tension d'entrée, multipliée par le temps de mise en circuit, et qu'elle est inverse- ment proportionnelle au temps de mise hors circuit pour un oscillateur à période constante, soit Vout =Vin ton/toff (7) pour N = 1, o Vout est la tension de sortie, Vin est la tension d'entrée, ton est le temps de mise en cir- cuit du transistor de commutation 23 et toff est le temps de mise hors circuit de ce dernier en figure 2B. D'après l'équation (7), pour une prédiction exacte, le rapport requis entre le temps de mise hors circuit et le temps de mise en circuit est défini par l'équa- tion: toff/ton = Vin/Vout (8) Afin d'obtenir une annulation essentielle- ment parfaite des variations survenant dans la tension d'entrée, la correction prédictive suivant l'inven- tion doit rendre le rapport temps de mise hors circuit/ temps de mise en circuit proportionnel à la tension d'entrée. Dans le convertisseur de retour, cet objectif est atteint en utilisant une résistance 96 connectée à la tension d'entrée et une résistance 97 connectée à la tension de sortie afin d'établir une amplitude de crête et une pente de tension en dents de scie propor- tionnelles à une somme pondérée sélectionnée des ten- sions d'entrée et de sortie, en fonction des valeurs des résistances respectives 96 et 97. En conséquence, lorsque la tension d'entrée s'élève, le rapport du temps de mise hors circuit au temps de mise en circuit augmente de manière directe- ment proportionnelle à la tension d'entrée, donnant ainsi un niveau de tension de contrôle V c constant. D'après les formes d'ondes de signaux de contrôle il- lustrées en figure 2B, le temps de mise en circuit 1l est obtenu par l'équation: t = V T/v (9) on = Vc T/Vsaw En utilisant T = ton + toff, on obtient toff/ton = Vsaw/Vc - 1 (10) Par substitution dans l'équation (2) et résolution pour l'amplitude de tension en dents de scie requise, on obtient Vsaw = (Vc/Vout) (Vin + Vout) (11) Le circuit prédictif illustré en figure 2A fournit l'amplitude de tension en dents de scie exactement dans cette forme, soit Vsaw = (T/RT CT) (Vin + Vout) (12) o RT1 = RT2 = RT. La résolution des constantes de circuit donne RT CT = T Vout/Vc (13) Avec ces constantes, le rapport du temps de mise hors circuit au temps de mise en circuit est alors rendu proportionnel à la tension d'entrée, soit t / V / toff /ton = Vin/Vout Etant donné que la tension de sortie est directement proportionnelle à la tension d'entrée divi- sée par le rapport du temps de mise hors circuit au temps de mise en circuit, et que ce rapport est lui- même directement proportionnel à la tension d'entrée, toute variation survenant dans cette dernière est es- sentiellement annulée immédiatement et complètement, maintenant ainsi la tension de sortie constante. Cette technique prédictive pour le convertisseur de retour est considérée comme nouvelle et revendiquée ici. La description ci-dessus est susceptible d'amener l'homme de métier à concevoir des varian- tes ou des formes de réalisation apparentées de la présente invention, lesquelles rentrent néanmoins dans le cadre de cette dernière. En conséquence, il est vivement conseillé de se référer aux revendica- tions ci-après, étant donné qu'elles définissent mi- nutieusement 'les limites de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Circuit prédictif comprenant une entrée et une sortie pour une alimentation en courant con- tinu à modulation d'impulsions en durée, ce circuit comprenant: un transformateur destiné à modifier les niveaux de courant et de tension, ce transformateur compre- nant des enroulements primaire et secondaire ayant chacun des côtés d'entrée et de sortie; un moyen de commutation comprenant des côtés d'entrée, de sortie et de commande, en vue de faire passer le courant à travers l'enroulement primaire dans des états successifs de mise en et hors circuit; une diode destinée à transférer le courant par rapport à la sortie du circuit, l'enroulement secon- daire et cette diode étant raccordés électriquement en série, tandis que la diode est soumise à une pola- risation inverse au cours des états de mise en circuit du moyen de commutation; un condensateur destiné à accumuler une charge, comprenant un côté de sortie et un côté mis à la masse respectivement, le côté de sortie de ce condensateur étant raccordé électriquement à la sortie du circuit; un moyen d'échantillonnage destiné à échantillon- ner une partie sélectionnée de la tension de sortie à la sortie du circuit; un moyen d'erreur comprenant une sortie d'erreur en vue d'établir une différence d'erreur entre la par- tie sélectionnée de la tension de sortie et une ten- sion de référence sélectionnée; un moyen générateur de dents de scie destiné à établir une forme d'onde en dents de scie ayant une amplitude de crête et une pente caractéristiques; un comparateur comprenant des entrées de dents de scie et d'erreurs, ainsi qu'une sortie, en vue de contrôler les temps de mise en et hors circuit du moyen de commutation par rapport à la différence en- tre les niveaux respectifs des entrées de dents de scie et d'erreurs; et un moyen prédictif destiné à modifier la gran- deur de la pente et l'amplitude de crête de la forme d'onde en dents de scie, de telle sorte que ce moyen prédictif soit efficace pour modifier avec précision le temps de mise sous tension du moyen de commutation. 2. Procédé en vue d'établir un circuit pré- dictif comprenant une entrée et une sortie dans une alimentation en courant à modulation d'impulsions en durée, ce procédé comprenant les étapes qui consis- tent à: a) monter un transformateur entre l'entrée et la sortie du circuit en vue de modifier les niveaux de courant et de tension de l'énergie électrique passant dans ce transformateur, ce dernier comprenant des enroulements primaire et secondaire ayant chacun des côtés d'entrée et de sortie; b) soumettre un moyen de commutation à une com- mutation périodique entre des états de mise en et hors circuit en vue d'assurer le passage du courant par rapport à l'enroulement primaire, ce moyen de commutation comprenant des côtés d'entrée, de sortie et de commande dans des états successifs de mise en et hors circuit; c) raccorder électriquement une diode pour le transfert du courant par rapport à la sortie du cir- cuit, l'enroulement secondaire et cette diode étant montés en série, tandis que la diode est soumise à une polarisation directe au cours des états de mise en circuit du moyen de commutation; d) raccorder électriquement un condensateur en vue de l'accumulation d'une charge, ce condensateur comprenant un côté de sortie et un côté mis à la masse respectivement, le côté de sortie de ce condensateur étant raccordé électriquement à la sortie du circuit; e) prévoir un moyen d'échantillonnage en vue d'échantillonner une partie sélectionnée de la ten- sion de sortie à la sortie du circuit; f) monter un moyen d'erreur comprenant une sor- tie d'erreur, en vue d'établir une différence d'erreur entre la partie sélectionnée de la tension de sortie et une tension de référence sélectionnée; g) prévoir un moyen générateur de dents de scie destiné à établir une forme d'onde en dents de scie ayant une amplitude de crête et une pente caractéris- tiques; h) monter un comparateur comprenant des entrées de dents de scie et d'erreurs, ainsi qu'une sortie, en vue de contrôler les temps de mise en et hors cir- cuit du moyen de commutation par rapport à la diffé- rence entre les niveaux respectifs des entrées de dents de scie et d'erreurs; et i) prévoir un moyen prédictif destiné à modifier la grandeur de la pente et l'amplitude de crête de la forme d'onde en dents de scie, de telle sorte que ce moyen prédictif soit efficace pour modifier avec pre- cision le temps de mise sous tension du moyen de com- mutation. 3. Circuit ou procédé selon la revendica- tion 1 ou 2, caractérisé en ce que la sortie du comparateurest raccordéeélectriquement au côté de commande du moyen de commutation. 4. Circuit ou procédé selon la revendica- tion 1 ou 2, caractérisé en ce que le moyen d'échan- tillonnage comprend un circuit diviseur de tension destiné à déterminer la partie sélectionnée de la ten- sion de sortie à échantillonner. 5. Circuit ou procédé selon la revendica- tion 1 ou 2, caractérisé en ce que le moyen prédictif comprend des premier et second éléments résistifs des- tinés à modifier le niveau d'entrée de la tension en dents de scie, ces éléments résistifs étant raccordés respectivement à l'entrée et à la sortie du circuit, d'un côté, tandis qu'ils sont raccordés électriquement à l'entrée de dents de scie, de l'autre côté. 6. Circuit ou procédé selon la revendica- tion 1 ou 2, caractérisé en ce que le moyen générateur de dents de scie comprend un oscillateur destiné à établir une période de commutation.