ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ
SOURCE OF POWER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к источникам питания с регулировкой выходного напряжения и выходного тока.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны различные источники питания с раздельной регулировкой выходного напряжения и тока, построенные с применением микросхемы LT1970 (Data Sheet LT1970, «500mA Power Op Amp with Adjustable Precision Current Limit», USA, ©LINEAR TECHNOLOGY CORPORATION 2002, Figure 9, Figure 11, Figure 15). Характерным недостатком устройств на базе этой микросхемы является сравнительно медленное переключение между режимами регулирования тока и регулирования напряжения. Как следует из приведенной блок-схемы микросхемы (см. Data Sheet LT1970, page 10), дифференциальные усилители Isink, Isrc при переходе в режим регулирования напряжения переходят из линейного режима в режим отсечки. Аналогично, дифференциальный усилитель GM1 цепи узла обратной связи по напряжению переходит в режим отсечки при переходе микросхемы в режим регулирования тока. Как известно из теории, переходы из состояния отсечки в линейный режим дифференциальных усилителей происходят намного медленнее, чем переходы из одного состояния в другое в линейном режиме. Как следствие, устройствам, построенным на базе обсуждаемой микросхемы, свойственны значительные задержки при переходах между регулированием тока и напряжения. Достоинством микросхемы является наличие двух узлов регулирования тока: втекающего и вытекающего.
Наиболее близким техническим решением к изобретению является лабораторный источник питания с произвольной регулировкой выходного напряжения и выходного тока (см. Титце У., Шенк К., Полупроводниковая схемотехника. 12-е изд. Том II: Пер. с нем. – Москва: ДМК Пресс, 2007 – 942 с. ил. Страница 235, Рис. 16.21), содержащий первый операционный усилитель (далее ОУ) контура регулирования напряжения, второй ОУ контура регулирования тока, источники отрицательного и положительного напряжений питания ОУ, первый и второй источник постоянного опорного напряжения для задания уровней ограничения выходного напряжения и тока, два резистивных делителя напряжения соответственно в цепях обратной связи по напряжению и току, причем вторые резисторы делителей – потенциометры, два диода в цепях нагрузок ОУ, источник тока – общая нагрузка ОУ, выходной силовой транзистор с резистором в цепи базы, резистивный шунт для формирования напряжения обратной связи по току нагрузки.
Первый ОУ в контуре регулирования напряжения подключен неинвертирующим входом к цепи «Общий», инвертирующий вход подключен к средней точке V1- делителя обратной связи по напряжению. Первый резистор этого делителя подключен к отрицательному выводу первого источника опорного напряжения, который положительным выводом соединен с цепью «Общий». Второй резистор делителя – потенциометр, соединен со средней точкой и вторым выводом c положительным выводом подключения нагрузки.
Второй ОУ в контуре регулирования тока соединен своим неинвертирующим входом к средней точке V2+ второго делителя напряжения, первый резистор которого соединен с положительным выводом второго источника опорного напряжения, а второй резистор – потенциометр своим средним и вторым выводом соединен с первым выводом резистивного шунта тока , второй вывод которого соединен с отрицательным выводом нагрузки. Положительный и отрицательный источники питания ОУ соединены первыми выводами с соответствующими выводами питания обоих ОУ, вторые выводы источников питания, а также вторые выводы источников опорного напряжения соединены с цепью «Общий». Выход первого ОУ Va1 выход второго ОУ Vа2 соединены с катодами первого и второго диодов, аноды которых в свою очередь соединены в общую точку сигнала обратной связи Vsum. Источник тока отрицательным выводом подключен к положительному источнику питания ОУ, а выводом соединен с общей точкой Vsum. Источник питания нагрузки соединен отрицательным выводом с первым выводом шунта тока и цепью «Общий» а положительным выводом соединен с коллектором силового транзистора. База силового транзистора, включенного по схеме «Общий эмиттер» соединена через резистор с общей точкой сигнала обратной связи Vsum, коллектор соединен с положительным выводом источника питания, а эмиттер транзистора соединен с положительным терминалом источника Ua+.
Описанный выше устройство, выбранное в качестве прототипа, обладает рядом недостатков, что ограничивает область его применения. Главным недостатком для таких применений, как источник питания транзисторов при тестировании, является низкая скорость перехода из одного режима регулирования в другой и наоборот. При быстрых переключениях устройства из-за медленной работы источника в цепи коллектора (стока) транзистора – объекта тестирования возможны чрезмерные выбросы напряжения при быстром разрыве цепи протекания тока, а также чрезмерные импульсы тока при быстром замыкании выходной цепи транзистора. Также, поскольку управление устройством – прототипом при задании уровней ограничения (пороговых уровней) осуществляется потенциометрами вручную, становится невозможным автоматическая по программе, быстрая смена заданных пороговых уровней ограничения тока и напряжения источника.
КРАТКОЕ РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение времени перехода между режимами регулирования напряжения и тока в зависимости от величины тока в цепи нагрузки.
Предлагаемое устройство содержит управляемый источник опорного напряжения для задания уровня стабилизации величины напряжения, управляемый источник опорного напряжения для задания уровня стабилизации величины тока, два операционных усилителя с источниками питания положительного и отрицательного напряжений, источник тока в общей цепи нагрузки операционных усилителей, два диода для переключения токов нагрузки операционных усилителей, два транзистора для обеспечения работы усилителей в линейном режиме, два резистора для задания коэффициента передачи делителя при управлении напряжением, два резистора делителя для задания коэффициента передачи при управлении током, два резистора для компенсации токов смещения по неинвертирующим входам операционных усилителей, источник питания нагрузки, силовой транзистор для задания уровня выходного напряжения или выходного тока, резистор в цепи базы транзистора, резистивный шунт тока для формирования сигнала обратной связи по величине тока нагрузки.
ПОДРОБНОЕ РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Достигаемым техническим результатом изобретения является значительное снижение времени переключения между режимами регулирования (стабилизации) тока и напряжения, а также возможность автоматического задания порогов ограничений выходного тока и напряжения.
Для достижения технического результата в устройство источника питания с произвольной регулировкой напряжения и тока, содержащим первый ОУ контура регулирования напряжения, выход которого соединен с катодом первого диода, инвертирующий вход соединен со средней точкой первого делителя, инвертирующий вход соединен с цепью «Общий» , второй ОУ, выход которого соединен с катодом второго диода, инвертирующий вход соединен с цепью «Общий», неинвертирующий вход соединен со средней точкой второго делителя, первый и второй диоды соединенные анодами с точкой общего сигнала обратной связи Vsum, положительный и отрицательный источники питания ОУ, соединенные с соответствующими выводами питания ОУ, первый источник опорного напряжения и второй источники опорного напряжения соединенные вторыми выводами с цепью «Общий», а первыми выводами соединенные с выводами соответствующих делителей напряжения, источник тока, соединенный отрицательным выводом с выводами положительного питания ОУ, а положительным выводом соединенный с общей точкой сигнала обратной связи Vsum, силовой выходной транзистор, база которого соединена через резистор с общей точкой Vsum, коллектор соединен с положительными выводом источника питания нагрузки, а эмиттер соединен с положительным терминалом источника Ua+, соединенный также со средней точкой и вторым выводом потенциометра первого делителя, резистивный шунт тока, соединенный первым выводом с отрицательным терминалом Ua- и цепью «Общий», соединенный вторым выводом с отрицательным выводом источника питания нагрузки, а также вторым выводом и средней точкой потенциометра второго делителя дополнительно введены второй транзистор база которого соединена с общей точкой сигнала обратной связи Vsum, эмиттер соединен с выходом Vа1 первого ОУ, а коллектор соединен с точкой V1-, третий транзистор, база которого соединена с общей точкой сигнала обратной связи Vsum, эмиттер соединен с выходом Vа2 второго ОУ, а коллектор соединен с точкой V2-, в разрыв цепи между неинвертирующим входом первого ОУ и цепью «Общий» введен первый резистор для компенсации тока смещения первого ОУ, в разрыв цепи между инвертирующим входом V2- второго ОУ и цепью введен второй резистор для компенсации тока смещения второго ОУ, произведены замены потенциометров делителей на постоянные резисторы, источники фиксированного опорного напряжения заменены на программируемые источники опорного напряжения.
Указанная совокупность существенных признаков делает возможным использовать источник по предлагаемой схеме в качестве источника питания таких объектов тестирования (DUT) , как транзисторы в составе автоматизированных систем тестирования (ATE), а также во множестве других применений, где важно обеспечить быстрое переключение без чрезмерных длительных выбросов тока и/или напряжения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР ЧЕРТЕЖЕЙ И ИНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Фиг. 1. Программируемый источник питания с быстрым переключением между режимами регулирования напряжения и тока.
Фиг. 2 Принципиальная электрическая схема Spice-модели прототипа (Micro-Cap 12).
Фиг. 3 Принципиальная электрическая схема Spice-модели устройства (Micro-Cap 12).
При этом в обеих схемах на фиг. 2 и 3: в прототипе и заявляемом устройстве заданы модели одинаковых ОУ, диодов, транзисторов, источников и резисторов, а также одинаковые модели и поведение нагрузок.
На Фиг. 4 и Фиг. 5 приведены временные диаграммы работы прототипа и заявляемого устройства по результатам моделирования в среде Micro-Cap 12.
Фиг. 4 Временные диаграммы работы Spice-модели прототипа при переходе из режима регулирования напряжения в режим регулирования тока и обратно (Micro-Cap 12).
Фиг. 5 Временные диаграммы работы Spice-модели устройства при переходе из режима регулирования напряжения в режим регулирования тока и обратно (Micro-Cap 12).
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Программируемый источник питания с быстрым переключением между режимами регулирования напряжения и тока содержит первый ОУ контура регулирования напряжения 1, выход которого Va1 соединен с катодом первого диода 9, инвертирующий вход соединен с коллектором второго транзистора 20 и средней точкой V1- первого делителя из резисторов 3 и 4, неинвертирующий вход соединен через резистор 18 с цепью «Общий», второй ОУ 2, выход которого Va2 соединен с катодом второго диода 10, инвертирующий вход соединен через резистор 19с цепью «Общий», неинвертирующий вход соединен со средней точкой второго делителя V2+ из резисторов 5 и 6 и коллектором третьего транзистора 21, аноды первого 9 и второго 10 диодов соединенные с точкой общего сигнала обратной связи Vsum, положительный 14 и отрицательный 15 источники питания ОУ, соединенные с соответствующими выводами питания ОУ, первый 12 программируемый источник опорного напряжения и второй 13 источники опорного напряжения соединенные отрицательными выводами с цепью «Общий», а положительными выводами соединенные с выводами резисторов 3 и 5 соответствующих делителей напряжения, источник тока 11, соединенный отрицательным выводом с выводами положительного питания ОУ, а положительным выводом соединенный с общей точкой сигнала обратной связи Vsum, силовой первый транзистор 17, база которого соединена через резистор 6 с общей точкой Vsum, коллектор соединен с положительными выводом источника питания нагрузки 17, а эмиттер соединен с положительным выходным терминалом источника Ua+, соединенный также со вторым выводом резистора обратной связи 4 первого делителя, резистивный шунт тока 7, соединенный первым выводом с отрицательным терминалом Ua- и цепью «Общий», вторым выводом соединенный с отрицательным выводом источника питания нагрузки 16, а также вторым выводом резистора обратной связи 6 второго делителя.
Работа заявляемого устройства в сравнении с работой прототипа анализируется Spice –моделями, схемы которых представлены на Фиг. 2 – схема прототипа и Фиг. 3 - схема заявляемого устройства. Для анализа выбрано поведение нагрузки во времени соответствующее переходу в режим ограничения тока из режима регулирования напряжения и обратно. Номиналы резисторов за исключением резисторов для компенсации токов смещения ОУ, которых нет у прототипа, и источников для обеих моделей выбраны одинаковые и их величины указаны на схемах. В качестве силового первого транзистора T1 (17) используется модель 2SCR533P, операционные усилители OV1 (1) и OV2(2) – AD823AN, в качестве диодов D1(20) и D2(21) используется BAS416. Источник тока нагрузки I1 настроен на ток 2 мА. В качестве модели нагрузки источника используется комбинированная нагрузка на резисторах Rl2 (20 Ом) и Rl1 (5 Ом). Резистор Rl2 подключен постоянно, а ток через резистор Rl1 подключается с помощью модели ключа SW1 в момент времени t1=2 мкс, а отключается в момент времени t2=10 мкс. Параметры обеих моделей заданы таким образом, чтобы в интервале t1 – t2 источник переходил в режим регулирования (ограничения) выходного тока нагрузки Ia, а до t1 и после t2 работал в режиме регулирования напряжения.
Поведение заявляемого устройства в сравнении с работой прототипа иллюстрируется временными диаграммами прототипа Фиг. 4 и заявляемого устройства Фиг. 5. На верхней диаграмме приведена форма напряжения v(Ua+) на нагрузке источников. На второй диаграмме приведены диаграммы напряжений v (Va1) – тонкая сплошная линия и v(Va2) – штриховая линия на выходах операционный усилителей OV1 и OV2 соответственно, а также напряжение v(Vsum) – толстая сплошная линия в точке суммирования сигнала обратной связи Vsum. На третьей диаграмме приведены сигналы обратной связи – разность напряжений между неинвертирующим и инвертирующими входами операционных усилителей: OV1 контура управления по напряжению v(V1+)-v(V1-) – сплошная линия, и OV2 контура управления по току v(V2+)-v(V2-) – тонкая штриховая линия. На последней диаграмме приведена форма тока нагрузки i(R5), протекающего через нагрузку и шунт тока R5. На временных диаграммах с указаны времена переключения и величины выброса напряжения и тока для прототипа при переходе из режима регулирования напряжения в режим ограничения тока нагрузки и последующем переходе из ограничения тока в режим регулирования (ограничения) напряжения на нагрузке. На первых трех диаграммах величины на оси Y соответствуют напряжениям в Вольтах, на последней – Амперам. По осям Х величины соответствуют времени в микросекундах.
Рассмотрим работу обеих моделей. В случае, если выходной ток Ia, меньше заданного порога ограничения, определяемого уровнем напряжения U2 (Vref2) и делителем напряжения R3/R4 оба устройства находятся в режиме регулирования напряжения. В этом режиме для схемы предлагаемого устройства выполняется соотношение ,
а для схемы прототипа
где
Ia –величина выходного тока источников, протекающего через нагрузку и шунт тока R5 и источник питания нагрузки UL,
R1 – величина сопротивления шунта тока,
U2 – напряжение постоянного источника опорного напряжения прототипа,
Uref – напряжение на программируемом источнике опорного напряжения заявляемого устройства,
R2, R4, R5 – величины сопротивлений соответствующих резисторов и потенциометра на схемах.
Пока сохраняется это соотношение напряжение на неинвертирующем входе V2+ OV2 больше напряжения на инвертирующем входе V2-, что соответствует переходу в режим отсечки ОV2 для устройства-прототипа, так как в этом режиме обратная связь ОУ разорвана. Это иллюстрируется на временной диаграмме сигнала Va2 прототипа – уровень сигнала на выходе ОУ близок к уровню положительного источника питания, а разность напряжений между положительным V2+ и отрицательным входами V2- значительно выше нуля. В отличие от прототипа, предлагаемое устройство не переходит в режим отсечки ОУ, а независимо от режима работает в линейном режиме, что иллюстрируется аналогичными диаграммами сигналов Va2 и разности напряжений характерной для линейного режима v(V2+)- v(V2-) операционного усилителя обратной связи по току OV2. В режиме регулирования напряжения местная обратная связь OV2 предлагаемого устройства замыкается через открытый переход коллектор – эмиттер транзистора T3. В этом режиме, благодаря местной обратной связи, ток через диод D2 поддерживается на таком уровне, чтобы напряжение на инвертирующем входе V2-, было практически равно напряжению на неинвертирующем входе V2+, что соответствует линейному режиму работы OV2.
Обратная связь контура регулирования напряжения на нагрузке замыкается через OV1. В точке Vsum автоматически, благодаря обратной связи, поддерживается величина напряжения такой, чтобы величина выходного напряжения в точке Ua+ была
для прототипа:
Формула 1,
а для предлагаемого устройства: ,
Формула 2,
где V(Ua+) – напряжение на выходе источника,
R2, R1 – величины сопротивлений соответствующих резисторов на схемах,
Uref1 – величина напряжения соответствующего источника постоянного опорного напряжения прототипа,
U1 – величина напряжения программируемого источника опорного напряжения заявляемого устройства.
Как видно из временных диаграмм Фиг. 4 и Фиг. 5, в момент времени t1= 2 мкс в цепи нагрузки подключается дополнительная нагрузка Rl1 и величина тока становится больше заданного порога ограничения. Напряжение на неинвертирующем входе OV2 становится ниже, вследствие чего напряжение в точке Va2 становится ниже и ток источника начинает протекать через D2, а через D1 ток прерывается. Таким образом, как прототип, так и заявляемое устройство переходят в режим ограничения тока. Отличие в работе состоит в том, что переходный процесс в прототипе происходит дольше, так как OV2 требуется перейти в линейный режим из режима отсечки. В заявляемом устройстве переходный процесс намного короче, так OV2 до этого был в линейном режиме и для переключения тока достаточно небольшого (падение напряжения на двух p-n переходах) изменения напряжения на его выходе. В прототипе OV1 из-за обрыва сигнала обратной связи по напряжению оказывается в режиме отсечки, а в заявляемом устройстве остается в линейном режиме, благодаря замыканию местной обратной связи ОV1 через открывшийся транзистор T2 Снижение напряжения в точке Vsum ведет к снижению тока базы силового транзистора T1 и ток нагрузки снижается и далее стабилизируется на заданном уровне, соответствующем выполнению соотношения
для прототипа:
для заявляемого устройства:
где R3, R4, R5 – величины сопротивлений соответствующих резисторов,
Ia – величина выходного тока через нагрузку,
Uref2 – постоянное опорное напряжение для задания тока ограничения прототипа,
U2 – программируемое опорное напряжение для задания величины тока ограничения заявляемого устройства.
Описанный выше процесс соответствует переходу из режима регулирования напряжения в режим регулирования (ограничения) тока.
В момент времени t2=10 мкс ключ SW размыкается и ток в цепи нагрузки становится меньше заданного порога ограничения. Вследствие этого снижается напряжение на шунте тока, что ведет к увеличению напряжения на неинвертирующем входе V2+ операционного усилителя OV2, а также к росту напряжение на выходе Va2. Ток через D2 начинает снижаться, растет напряжение в точке суммирования Vsum. Последнее ведет к росту тока базы силового транзистора T1 и, соответственно, к росту выходного напряжения Ua+. Рост продолжается до тех пор, пока не откроется D1 и ток базы T1 не стабилизируется благодаря обратной связи по напряжению через усилитель OV1. Переходный процесс продолжается до тех пор, пока не начнет выполняться соотношение соответствующее режиму регулирования (стабилизации) выходного напряжения см. Формула 1 и Формула 2.
Из анализа длительности переходных процессов на временных диаграммах Фиг. 4 и Фиг. 5 следует, что в заявляемом устройства в любом из режимов ОУ остаются в линейном режиме и переходные процессе проходят в несколько раз быстрее, чем в устройстве-прототипе. В устройстве – прототипе большая длительность переходов обусловлена дополнительным временем на восстановление выходных сигналов ОУ при переходах из режима ограничения в линейный режим. Таким образом, временные диаграммы работы заявляемого устройства в сравнении с прототипом свидетельствуют, что достигается необходимый технический результат, заключающийся в значительно быстром переходе между режимами регулирования тока и напряжения, что ведет с снижению времени и амплитуд выбросов напряжения и тока в цепи нагрузки устройства. Из сравнения поведения при работе моделей прототипа и предлагаемого устройства следует, что в предлагаемом устройстве достигается сокращение времени переключения из режима регулирования напряжения в режим регулирования тока с 1,39 мкс до 460 нс. Время перехода из режима регулирования (ограничения) тока в режим регулирования напряжения сокращается с 1,23 мкс до 340 нс. Величина выброса напряжения снижается с 5,2 В до 480 мВ. Выброс тока с пиком 1,65 А продолжается менее 470 нс против 1,86 А в течение 1,3 мкс.
Замена постоянных источников опорного напряжения на программируемые источники позволяет автоматизировать работу заявляемого устройства путем программирования выходных уровней напряжения этих источников.