Двухканальный ШИМ с двойным регулирующим воздействием на наклон пилообразного напряжения

Полезная модель относится к области электроники и может быть применена при разработке вторичных источников питания (ВИП).
ШИМ в составе ВИП применяется в качестве устройства, формирующего импульсные сигналы, длительность которых зависит как от входного (Uвх.) так и от выходного (Uвых) напряжений.
Известен двухканальный ШИМ (см. Фиг. 1) с двойным регулирующим воздействием на наклон пилообразного напряжения (в дальнейшем сокращенно пилы), приведенный в литературе (И.Н. Букреев, В.И Горячев, Б.М. Мансуров. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. Издательство «Техносфера», Москва, 2009, Стр. 620. Рис. 11.15.2). Схема содержит собственно ШИМ, содержащий времязадающую RC цепь, электронный ключ(в качестве которого может применяться либо МДП-транзистор, либо двунаправленный ключ типа 564 КТ3), элемент 2ИЛИ, счетный триггера на основе Д-триггера, срабатывающего по фронту нарастания входного сигнала (фронт 01) и два канальных вентилях 2ИЛИ-НЕ, сигналы с которых затем поступают на затворы силовых ключевых МДП-транзисторов, фотодиода обратной связи VD1.2, подключенного параллельно резистору времязадающей цепи в обратно смещенном режиме.
Такая схема работает следующим образом. Можно считать, что ток в RC цепи нарастает по линейному закону (по закону пилы с определенным наклоном), поскольку конденсатор практически заряжается постоянным током I, определяемым из выражения:
Поэтому, при изменении Uвх наклон пилы будет изменяться. При увеличении Uвх наклон пилы возрастет, и напряжение на конденсаторе быстрее достигнет напряжения переключения порога переключения элемента 2ИЛИ (Uпор.пер), которое для элементов на основе КМДП-ИС составляет примерно Eвн.пит/2, т.е. Uпор.пер.=Eвн.пит/2, где Евн.пит. - напряжение питания внутреннего источника питания. Это напряжение, как правило, существенно меньше напряжения Uвх и составляет наиболее часто порядка 5 вольт.
В результате длительность импульса на выходе вентиля 2ИЛИ уменьшится. При уменьшении входного напряжения, наклон пилы уменьшится, и длительность импульса - увеличится. То есть схема ШИМ работает в соответствии с законом
где tиш - длительность импульса ШИМ на выходе элемента 2ИЛИ.
Допустим, что возросло напряжение на выходе ВИП (уменьшился, например, ток нагрузки). В этом случае возрастет ток через светодиод VD1.1 и, следовательно, через фотодиод VD1.2. To есть в конденсатор С будет втекать дополнительный ток, составляющий некую часть тока светодиода, определяемую через коэффициент передачи тока светодиода Кi. Это приведет к увеличению наклона пилы и, следовательно, к уменьшению длительности импульса, формируемого на выходе вентиля 2ИЛИ, и таким образом произойдет стабилизация напряжения на выходе ВИП.
Такой схеме присущи следующие недостатки.
1. Элемент обратной связи, в данном случае фотодиод (а может и фототранзистор), находится под большим обратным напряжением (для бортовых ВИП оно составляет как правило 20-40 вольт),которое может превышать заданное обратное напряжение отраженное в технических условиях (например, обратное напряжение для диода 3ОД120 составляет 10 вольт). Следовательно, сужается область применения схемы.
2. При напряжении Uвх=Uвх.max. напряжение на конденсаторе С(Uc) может достичь величины Uc=Eвн.пит.+0.7 вольт., где Eвн.пит. - это напряжение внутреннего источника питания. То есть это напряжение Uc существенно больше, чем напряжение порога переключения элемента 2ИЛИ, которое в случае его выполнения на элементах КМДП-ИС составляет примерно Eвн.пит./2. И тогда для разряда конденсатора С до уровня логического нуля (в дальнейшем сокращенно лог. 0) через электронный ключ Кл потребуется больше времени. А это означает, что входной импульс tги, поступающий от генератора импульсов на управляющий вход «У» ключа Кл, должен иметь большую длительность. Последнее нежелательно, так как приведет к снижению коэффициента заполнения Кз, ответственного за КПД источника питания. Коэффициент заполнения Кз определяется из выражения:
где tиш - длительность импульса, формируемого схемой собственно ШИМ;
Тг=tги+tп - период следования импульсов, поступающих на управляющий вход ключа Кл от генератора импульсов; tп - длительность паузы между импульсами tги.
3. Максимальная длительность импульса, которая может быть сформирована схемой ШИМ, имеющая место при Uвх=Uвх.min, определяется из выражения
Но для схемы ШИМ важна не только максимальная длительность импульса, которую он формирует, но важна и минимальная, т.е важен диапазон регулирования, в пределах которых эта длительность меняется. Это связано с тем, что при работе ВИП в режимах близких к режиму холостого хода или в режиме холостого хода и при максимальном входном напряжении длительность импульса формируемого ШИМ может быть существенно меньше, чем длительность импульса tги от генератора импульсов. И здесь очень существенно, чтобы этой длительность хватило для срабатывания счетного триггера (например счетный триггер ТМ2 наиболее распространенных серий КМДП-ИС 564, 765, бескорпусной вариант серии 564, при 5 вольтовом питании для своей нормальной работы требует, чтобы длительность импульса и длительность паузы между ним были одинаковы и не менее 270 нс).
Но поскольку в схеме ШИМ, приведенной на Фиг. 1, счетный триггер управляется импульсами с выхода элемента 2ИЛИ, длительность которых изменяется в зависимости от входного и выходного напряжений, то понятно, что эта длительность может быть меньше указанных 270 нс. И тогда может произойти отказ в работе схемы ВИП. Для избежания режима холостого хода, на выходе ВИП искусственно устанавливают подгрузочные резисторы, но они снижают КПД. Но вот если бы счетный триггер в схеме ШИМ, приведенной на Фиг. 1, работал бы от более узких импульсов, то, наверно, можно было бы обойтись и без подгрузочных резисторов. Но, а если с ними, то эти резисторы обязательно будут иметь более высокие номиналы. То есть здесь важен диапазон регулирования длительности импульса, т.е. диапазон, в пределах которых работает схема ШИМ, о чем говорилось выше. Для любой схемы ШИМ наилучший вариант - это такой вариант, при котором коэффициент Кз регулируется в пределах всей длительности паузы tп, т.е. от Кзmax=tп/Тг до Kзmin=Δt/Tг, где Δt<tги. Таким образом, при работе счетного триггера от импульсов изменяемой длительности, может возникнуть ситуация, при которой счетный триггер не сработает в силу слишком короткого по длительности импульса, недостаточного для его надежного переключения. Последнее вполне возможно при работе на холостом ходу и, особенно, при случайных бросках входного напряжения превышающих Uвх.max, в результате чего снижается надежность работы схемы, что является ее третьим недостатком.
Наиболее близким по технической сущности является схема двухканального ШИМ, примененная в изделии: Модуль ИВЭП К275.010СФ. ШУКР.436434.004. Схема ШИМ из этого изделия приведена на Фиг. 2. ШИМ включает в себя времязадающую цепь, состоящую из резистора 1 и конденсатора 2, электронный ключ 3, имеющий три вывода: управляющий, «общий» и «выход», входной вентиль 2И-НЕ4, фототранзистор обратной связи 5, инвертор 6, тиггер R-S типа на двух вентилях 2И-НЕ7, 8, опросный вентиль 2И-НЕ9, счетный триггера 10 на основе Д-триггера, срабатывающего по фронту нарастания входного сигнала (фронт 01),два канальных вентиля 2ИЛИ-НЕ, 11, 12. При этом первый вывод резистора 1 подключен к плюсовой шине входного питания Uвх, а второй его вывод подсоединен к первой обкладке конденсатора 2, к выводу «выход» электронного ключа 3, к эмиттеру фототранзистора 5(коллектор которого подсоединен к клемме плюс внутреннего источника питания Eвн.пит.) и к входу инвертора 6, выход которого подключен к входу S триггера R-S типа, вход R которого подсоединен к первому входу входного вентиля 2И-НЕ4 и к первому входу опросного вентиля 2И-НЕ9, второй вход которого подсоединен к выходу вентиля 2И-НЕ8 триггера R-S типа и второму входу входного вентиля 2И-НЕ4, выход которого подключен к управляющему входу электронного ключа 3. При этом выход опросного вентиля 2И-НЕ9 подсоединен к входу «С» счетного триггера 10 и к первым входам канальных вентилей 2ИЛИ-НЕ11 и 12, вторые входы которых подключены к прямому и инверсному выходам счетного трггера 10 соответственно, вторая обкладка конденсатора 2 и вывод «общий» электронного ключа 3 объединены и подсоединены к шине «общая» входного питания, на первый вход входного вентиля 2И-Н4 поступают импульсы от генератора импульсов, а сигналы с выходов К1 К2 канальных вентилей 2ИЛИ-НЕ11 и 12 поступают затем на затворы силовых МДП-транзисторов преобразователя ВИП (МДП-транзисторы здесь не показаны).
Рассмотрим работу схемы прототипа, с того момента, когда на вход вентиля 2И-НЕ4 подан импульсный сигнал с уровнем лог. 0 от генератора импульсов. В этом случае будет иметь место, следующее распределение логических уровней на выходах вентилей 2И-НЕ схемы двухканального ШИМ.
На выходе вентиля 2И-НЕ4 сформируется уровень лог. 1, который приведет к отпиранию электронного ключа 3, и начнется разряд конденсатора 2 через малое сопротивление открытого ключа 3. Одновременно сигнал от генератора импульсов поступит на R вход R-S триггера на вентилях 2И-НЕ7, 8, и установит его в состояние лог. 1, т.е. на выходе вентиля 2И-НЕ 8 установится уровень лог. 1, а на выходе вентиля 2И-НЕ7 уровень лог. 0. Уровень лог. 1 установится и на выходе опросного вентиля 2И-НЕ9, который, поступая на входы канальных вентилей 2ИЛИ-НЕ11 и 12, сформирует на их выходах уровни лог. 0. То есть в момент действия импульса, поступающего от генератора, будет осуществлен надежный запрет передачи информации с выходов счетного триггера 10 на затворы силовых ключей МДП-транзисторов преобразователя ВИП, что очень важно. Это так называемая гарантированная пауза (просечка) или «мертвое» время в иностранной литературе. Одновременно сигнал с уровнем лог. 1 с выхода вентиля 2И-НЕ8 поступает на второй вход вентиля 2И-НЕ4, но он в данный момент времени не влияет на его работу. Рассмотрим процесс работы схемы после окончания импульса от генератора, т.е. когда на входе вентиля 2И- НЕ4 присутствует уровень лог. 1.
В этом случае на выходе вентиля 2И-НЕ4 сформируется уровень лог. 0, электронный ключ 3 закроется, и начнется заряд конденсатора 2 через сопротивление! практически постоянным током. При этом на выходе опросного вентиля 2И-НЕ9 будет действовать уровень лог. 0, и на выходе К1 или К2, т.е. только на одном из двух канальных вентилей 2ИЛИ-НЕ 11 или 12, сформируется уровень лог. 1, который и поступит на вход затвора МДП-транзистора преобразователя ВИП. Когда напряжение на конденсаторе 2 достигнет величины порога переключения инвертора 6, на его выходе сформируется уровень лог. 0, и R-S триггер на вентилях 2И-НЕ7, 8 установится в инверсное состояние, при котором на выходе вентиля 2И-НЕ7 будет действовать уровень лог. 1, а на выходе вентиля 2И-НЕ8 - уровень лог. 0. Последний сформирует уровень лог. 1 на выходе опросного вентиля 2И-НЕ9, который, поступая на входы канальных вентилей 2ИЛИ-НЕ11 и 12, сформируют на их выходах К1 и К2 уровни лог. 0, завершая тем самым цикл получения рабочего импульса. При этом сигнал с уровнем лог. 0 с выхода вентиля 2И-НЕ8 сформирует на выходе входного вентиля 2И-НЕ4 сигнал с уровнем лог. 1, который откроет электронный ключ 3, и разрешит процесс разряда конденсатора 2 через малое сопротивление открытого ключа
3. То есть напряжение на конденсаторе 1 никогда не превысит напряжения равного напряжению порога переключения инвертора 6, и таким образом будет устранен первый недостаток схемы ШИМ, приведенной на Фиг. 1.
Поскольку в этой схеме фотодиод обратной связи подключен к плюсовому выводу внутреннего источнику питания Eвн.пит, которое обычно составляет 5 вольт, то в этой схеме устранен и второй недостаток схемы ШИМ, приведенной на Фиг. 1. Но так как эта схема по входу счетного триггера управляется импульсам изменяемой длительности, то ей будет присущ третий недостаток схемы ШИМ, приведенной на Фиг. 1., обусловленный работой счетного триггера от импульсов изменяемой длительности.
Обращаясь к схеме ШИМ, показанной на Фиг. 2, можно видеть, что эта схема выполнена на заметно большем числе логических элементов, по сравнению со схемой ШИМ на Фиг 1, что является ее недостатком. Поэтому целью полезной модели являются упрощение схемы ШИМ прототипа за счет снижения числа логических элементов (вентилей) и повышение ее надежности за счет работы счетного триггера от импульсов постоянной длительности.
Поставленная цель достигается тем, что в схему двухканального ШИМ, содержащую времязадающие резистор 1 и конденсатор 2, электронный ключ 3 с тремя выводами: управляющий, «общий» и «выход», входной вентиль 2И-НЕ4, фототранзистор обратной связи 5, инвертор 6, триггерR-S типа на двух вентилях 2И-НЕ7 и 8, при этом первый вывод резистора 1 подключен к плюсовой клемме входного питания Uвх, а второй его вывод подсоединен к первой обкладке конденсатора 2, к выводу «выход» электронного ключа 3, к эмиттеру фототранзистора 5, (коллектор которого подсоединен к клемме плюс внутреннего источника питания Eвн.пит.) и к входу инвертора 6, выход которого подключен к входу S триггера R-S типа, а его R вход подсоединен к первому входу входного вентиля 2И-НЕ 4, второй вход которого подключен к выходу вентиля 2И-НЕ8 триггера R-S типа, выход входного вентиля 2И-НЕ4 подсоединен к управляющему входу электронного ключа 3, при этом вторая обкладка конденсатора 2 и вывод «общий» электронного ключа 3 объединены и подсоединена к шине «общая» входного питания, введен счетный триггер 9, выполненный на Д триггере, срабатывающим по фронту спада входного сигнала (фронт 10), два канальных вентиля 3И, 10 и 11, при этом тактовый вход «С» счетного триггера 9 подключен к первому входу входного вентиля 2И-НЕ4 и к первым входам канальных вентилей 3И, 10 и 11, вторые входы которых подключены соответственно к прямому и инверсному выходам счетного триггера 9, а третьи входы канальных вентилей 3И, 10 и 11 подсоединены к выходу вентиля 2И-НЕ8 R-S триггера, при этом первый вход входного вентиля 2И-НЕ4 является входом двухканального ШИМ.
Как видно из Фиг. 3 схема работает от коротких(узких) по длительности импульсов tиг с уровнем лог. 0.
Рассмотрим работу схемы предлагаемого ШИМ, с того момента, когда на вход вентиля 2И-НЕ4 подан сигнал с уровнем лог. 0 от генератора импульсов. В этом случае будет иметь место, следующее распределение логических уровней на выходах вентилей схемы двухканального ШИМ.
На выходе вентиля 2И-НЕ4 сформируется уровень лог. 1, который приведет к отпиранию электронного ключа 3,и начнется разряд конденсатора 2 через малое сопротивление открытого ключа 3. Одновременно сигнал от генератора импульсов поступит на R вход R-S триггера на вентилях 2И-НЕ7, 8, и установит его в состояние лог. 1, т.е. на выходе вентиля 2И-НЕ8 установится уровень лог. 1, а на выходе вентиля 2И-НЕ7 уровень лог. 0. Этот же сигнал с уровнем лог. 0 поступит на тактовый вход «С» счетного триггера 9 и на первые входы канальных вентилей 3И, 10 и 11. В результате счетный триггер 9 по фронту спада входного сигнала(фронт 10) переключится в противоположное состояние, при этом передача информации с выходов счетного триггера 9 в момент его переключения на выходы канальных вентилей 3И будет надежно заблокирована сигналом с уровнем лог. 0, действующим на их входах.
То есть в момент действия импульса с уровнем лог. 0, поступающего от генератора, будет осуществлен надежный запрет передачи информации с выходов счетного триггера 9 на затворы силовых ключей МДП-транзисторов преобразователя ВИП, что очень важно. Это так называемая гарантированная пауза (просечка) или «мертвое» время в иностранной литературе. Одновременно сигнал с уровнем лог. 1 с выхода вентиля 2И-НЕ8 поступает на второй вход входного вентиля 2И-НЕ4, но он в данный момент времени не влияет на его работу. Рассмотрим процесс работы схемы после окончания импульса от генератора, т.е. когда на входе входного вентиля 2И-НЕ4 присутствует уровень лог. 1.
В этом случае на выходе вентиля 2И-НЕ4 сформируется уровень лог. 0, электронный ключ 3 закроется, и начнется заряд конденсатора 2 через сопротивление 1 практически постоянным током. При этом на выходе вентиля 2И-НЕ8 будет действовать уровень лог. 1, и на выходе К1 или К2, т.е. только на одном из двух канальных вентилей 3И, 10 или 11 сформируется уровень лог. 1, который и поступит на вход затвора МДП-транзистора преобразователя ВИП. Когда напряжение на конденсаторе 1 достигнет величины порога переключения инвертора 6, на его выходе сформируется уровень лог. 0, и R-S триггер на вентилях 2И-НЕ7, 8 установится в инверсное состояние, при котором на выходе вентиля 2И-НЕ7 будет действовать уровень лог. 1, а на выходе вентиля 2И-НЕ8 - уровень лог. 0. Последний, поступая на входы канальных вентилей 3И, 10 и 11, сформируют на их выходах К1 и К2 уровни лог. 0, завершая тем самым цикл получения рабочего импульса. При этом сигнал с уровнем лог. 0 с выхода вентиля 2И-НЕ8 сформирует на выходе входного вентиля 2И-НЕ4 сигнал с уровнем лог. 1, который откроет электронный ключ 3, и разрешит процесс разряд конденсатора 2 через малое сопротивление открытого ключа 3 раньше, чем поступит следующий импульс от генератора импульсов.
То есть напряжение на конденсаторе 1 никогда не превысит напряжения равного напряжению порога переключения инвертора 6.
Интересно отметить, что в этой схеме двухканального ШИМ не наблюдается в принципе присутствие узких импульсов ни на одном из входов, как самого счетного триггера 9, так и на входах вентилей 3И, 10 и 11, что исключительно важно. Действительно, самый узкий импульс на входе счетного триггера 9 - это импульс с длительностью равной длительности импульса tги. А на входах вентилей 3И, 10 и 11 самый короткий импульс (с уровнем лог. 1) не может иметь длительность меньше, чем длительность tги.
И то чисто теоретически, поскольку практически длительность импульса с уровнем лог. 1 здесь всегда обязана быть больше длительности tги. Это говорит о том, в этой схеме ШИМ коэффициент заполнения Кз может меняться практически от нуля до максимального значения. Пусть схема работает при максимальном входном напряжении и в режиме холостого хода. В этом случае, с учетом тока через фототранзистор 5 и тока через резистор 1, конденсатор 2 будет заряжаться наиболее быстро. И на выходе вентиля 2И-НЕ8 сформируется сигнал с уровнем лог. 0 длительностью tги+Δt, где Δt<tги - добавок к импульсу tги за счет быстрого заряда конденсатора 2. Но величина добавки Δt может составлять наносекунды и поэтому канальные вентили 3И, 10 и 11 их могут не пропустить. Чтобы сигнал прошел через вентиль, его длительность должна быть больше величины, определяемой средней задержкой распространения. Но такие короткие по длительности импульсы не смогут оказать какого либо воздействия на затворы силовых МДП-транзисторов, т.е. не смогут установить их во включенное состояние.
И так, поскольку в схеме ШИМ, приведенной на Фиг. 3 счетный триггер 9 работает от импульсов с уровнем лог. 0 постоянной длительности равной tги, то здесь исключается вероятность его сбоя по причине не срабатывания от короткого импульса, и тем самым устранен главный недостаток схемы прототипа, а именно, - возможность не срабатывания (сбоя) счетного триггера 9 от коротких по длительности импульсов, поступающих на его счетный вход «С».