СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ИМПУЛЬСНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ
METHOD OF USING PULSED POWER SUPPLY

Изобретение относится к способу эксплуатации импульсного источника питания, который содержит переключающий элемент, который посредством сигнала переключения с изменяемой частотой переключения включается и выключается, причем для определения среднего уровня частотного спектра сигнала переключения задается ширина полосы частот. Кроме того, изобретение относится к импульсному источнику питания для осуществления способа.
Импульсные источники питания, как правило, переключаются с тактовой частотой в диапазоне килогерц, причем переключающие элементы чаще всего управляются посредством сигналов переключения с широтно-импульсной модуляцией. В числе прочего, крутые фронты сигнала переключения с широтно-импульсной модуляцией приводят к нежелательным электромагнитным помехам. Такие помехи обрабатываются в рамках электромагнитной совместимости (ЭМС) импульсного источника питания.
Различают помехи, связанные с проводами, и помеховое излучение в свободном пространстве. Чтобы влияния электромагнитных помех на другие электрические приборы из-за непреднамеренной связи поддерживать малыми, следует соблюдать предписания ЭМС. При этом, как правило, устанавливается ширина полосы частот для определения среднего уровня частотного спектра сигнала переключения, причем максимально допустимый средний уровень помех не может превышаться. Эта ширина полосы частот соответствует, таким образом, ширине полосы фильтра прибора измерения помех. Так как помехи при очень низких частотах чаще всего не создают проблем, предписания ЭМС предусматривают, как правило, нижнюю граничную частоту для определения среднего уровня помех. При низких частотах переключения первая гармоника частотного спектра может лежать ниже этой граничной частоты, так что для определения допустимого уровня помех релевантными являются гармоники с более высокими порядковыми номерами.
Для соблюдения предписаний ЭМС, согласно уровню техники, известен, например, фильтр, требующий значительных затрат, чтобы предотвратить распространение электромагнитных помех вдоль проводников, связанных с импульсным источником питания, и через свободное пространство.
Также известно, что при формировании сигнала переключения используются способы частотной модуляции, чтобы снизить средний уровень помех частотного спектра. При этом стремятся к расширению частотного спектра (технология расширения спектра), благодаря чему при той же ширине полосы частот прибора измерения помехового уровня обеспечивается меньший средний помеховый уровень.
Подобные способы работают чаще всего с треугольной или пилообразной функцией модуляции, низкой частотой модуляции и высоким индексом модуляции и уже реализованы в форме коммерчески доступных управляющих компонентов для импульсного источника питания (включатель привода откидного верха кузова). Пиковые значения помехового уровня при этом не снижаются, так как спектральные компоненты имеют меньшее расстояние по частоте друг от друга, чем предписываемые значения ширины полосы частот приборов измерения помехового уровня.
Чтобы дополнительно уменьшить электромагнитную совместимость импульсного источника питания, также стремятся к снижению пиковых значений помехового уровня.
В публикации Wiener I.: Freiprogrammierbare Ansteuerung eines Aufwärtswandlers, Studienarbeit TUI Dresden, Dresden, 30. November 2001 - описан способ хаотической частотной модуляции с применением множества дискретных частот модуляции. Тем самым возможно спектр частот практически как угодно согласовать с имеющимися в распоряжении фильтрами и одновременно снизить пиковые значения уровня помех. Однако этот способ требует использования процессора сигналов с высокой вычислительной мощностью.
В основе изобретения лежит задача усовершенствовать известные из уровня техники способы для улучшения электромагнитной совместимости импульсного источника питания.
В соответствии с изобретением эта задача решается способом вышеописанного типа, причем частота переключения модулируется частотой модуляции большей, чем ширина полосы частот. Ширина полосы частот соответствует при этом предписанной ширине полосы частот прибора измерения помехового уровня. Сигнал переключения, как правило, реализован в виде прямоугольного сигнала с широтно-импульсной модуляцией, благодаря чему без модуляции образуются пиковые уровни гармоник с нечетным порядковым номером.
С помощью соответствующего изобретению способа пиковый уровень критической гармоники эффективным образом снижается за счет того, что в области соответствующих гармоник образуются так называемые группы высших гармоник. Уровни частот, которые в частотном спектре лежат рядом с частотой, при которой без модуляции частоты переключения проявился бы пиковый уровень, имеют при этом приблизительно тот же самый уровень, как сниженный теперь пиковый уровень. За счет этого особенно в нижнем диапазоне частотного спектра обеспечивается снижение помехового уровня, из-за чего снижается необходимая величина компонентов сетевого фильтра. Как раз в этом частотном диапазоне эффективные компоненты фильтра особенно велики.
Соответствующий изобретению способ может комбинироваться с вышеописанным способом модуляции согласно уровню техники для дальнейшего снижения среднего уровня.
За счет применения лишь максимально пяти дискретных частот можно реализовать способ как так называемый способ частотной манипуляции без дополнительного процессора. Этот способ может быть просто реализован с помощью имеющегося процессора переключения или управляющей схемы импульсного источника питания.
При этом является предпочтительным, если для модуляции частоты переключения задается сигнал модуляции с периодической формой сигнала, в простейшем случае прямоугольный сигнал с двумя дискретными частотами.
Тем самым в определенном частотном диапазоне возможно снижение пикового уровня и среднего уровня помех на величину до 6 дБ. В частности, возможно только с двумя дискретными частотами спектр помех в диапазоне до 10 МГц снизить на величину до 6 дБ. В диапазоне свыше 10 МГц также может достигаться снижение уровня помех, причем чаще всего возникает интерференция между гармониками частоты переключения.
Дальнейшее развитие способа предусматривает, что для определения допустимого максимального уровня частотного спектра сигнала переключения задается нижняя граничная частота, чтобы в качестве критической гармоники частотного спектра сигнала переключения без модуляции частоты переключения устанавливалась та гармоника, частота которой больше граничной частоты и которая имеет максимальный уровень помех. Для модуляции частоты переключения при этом задается индекс модуляции, который соответствует значению частного от деления примерно 1,42 на порядковый номер критической гармоники. Тем самым гарантируется, что пиковый уровень критических гармоник снижается на максимально возможную величину.
Преимуществом является, если критические гармоники устанавливаются в зависимости от скважности импульсов сигнала переключения. С уменьшением скважности спектр помех содержит все больше гармоник. Поэтому изменяемая скважность импульсов при сохраняющейся постоянной граничной частоте обуславливает новое определение критических гармоник, при котором возникает максимальный помеховый уровень.
Наряду со способом, изобретение также относится к импульсному источнику питания, который содержит переключающий элемент, который управляется посредством микроконтроллера или управляющей схемы, причем микроконтроллер или управляющая схема выполнены с возможностью осуществления способа, соответствующего изобретению. При этом способ реализуется особенно просто в микроконтроллере, применяемом для управления сигналами переключения (или в управляющей схеме, применяемой для управления сигналами переключения).
Изобретение далее поясняется на примере со ссылками на приложенные чертежи, на которых в форме диаграмм показано следующее:
Фиг.1 представляет сигнал переключения без модуляции, сигнал модуляции и модулированный сигнал переключения в представлении во временной области,
Фиг.2 - сигнал переключения без модуляции в представлении во временной области,
Фиг.3 - модулированный сигнал переключения в представлении во временной области.
S
S
На фиг.1 показаны диаграммы примерного сигнала переключения с модуляцией и без модуляции во временной области. На верхней диаграмме показан ход изменения немодулированного сигнала переключения SIG (например, на выходе регулятора импульсного источника питания) с частотой f переключения (например, 60 кГц) во времени t. При этом принимается скважность импульсов, примерно равная 50%, так что в частотном спектре на фиг.2 нечетные гармоники имеют соответствующий уровень А.
M
На диаграмме ниже представлен сигнал модуляции MOD, в качестве примера, в виде прямоугольной функции. В качестве альтернативы этому может также задаваться пилообразный, треугольный, синусоидальный или иной сигнал. В соответствии с изобретением частота f модуляции больше, чем предписанная ширина полосы фильтра прибора измерения помехового уровня (например, 10,5 кГц при ширине полосы фильтра 10 кГц).
zul
S
На фиг.2 представлен немодулированный сигнал в частотном диапазоне. Частотный спектр имеет помеховый уровень при первой, третьей, пятой, седьмой и т.д. гармониках, причем помеховый уровень первой и третьей гармоник превышает допустимую величину уровня |A|. Так как знак уровня для оценки электромагнитной совместимости не играет никакой роли, то изображены только величины уровня |A| выше частоты f переключения.
G
G
G
zul
Предписания ЭМС предусматривают ограничение помехового уровня, начиная от граничной частоты f (например, 1000 Гц). Помеховыми уровнями, которые возникают при частотах ниже этой граничной частоты f, можно пренебречь. В предложенном примере выше граничной частоты f при 3-й гармонике возникает пиковый помеховый уровень, который превышает допустимую величину уровня |A|, поэтому 3-я гармоника определяется как критическая. Для определения критических гармоник может, например, служить преобразование Фурье или преобразование Лапласа.
S-MOD
На фиг.3 показан частотный спектр модулированного сигнала SIG переключения, ход изменения которого во времени t представлен на нижней диаграмме на фиг.1. При этом пиковый уровень 3-й гармоники снижен применением способа, соответствующего изобретению.
Индекс модуляции предпочтительно выражается с помощью следующей формулы:
M
η = Δf/f ≈ 1,42/n
M
S1
S2
S
При этом n - порядковый номер критической гармоники (например, 3), f - частота модуляции (например, 10,5 кГц) и Δf - девиация частоты (отклонение обеих дискретных частот f, f переключения от средней частоты f в случае прямоугольного сигнала модуляции).
S
S1
S2
В случае примерной немодулированной частоты f переключения, равной 60 кГц, для способа частотной манипуляции (модуляции прямоугольным сигналом модуляции) получаются следующие дискретные частоты f, f переключения:
M
Δf ≈ 1,42/n*f ≈ 1,42/3*10,5 ≈ 5 кГц
S1
f ≈ 55 кГц
S2
f ≈ 65 кГц
M
S
S1
S2
На основе высокой частоты f модуляции частота f переключения изменяется между обеими дискретными частотами f, f после нескольких импульсов переключения (например, после 4 или 6 импульсов переключения, как представлено на фиг.1 на нижней диаграмме).
S
В частотном спектре (фиг.3), тем самым, в диапазоне гармоник образуются группы высших гармоник, причем пиковые уровни по сравнению с немодулированной частотой f переключения (фиг.2) уменьшаются на величину до 6 дБ. Прежде всего, группа высших гармоник, соответствующая критической гармонике, обнаруживает заметно сниженный пиковый уровень, так как значения уровня трех средних частот этой группы высших гармоник имеют приблизительно одинаковую величину.
zul
В результате этого способа модуляции все пиковые уровни групп высших гармоник лежат ниже допустимой величины уровня |A|. При этом можно дополнительно совместно использовать способ модуляции согласно уровню техники для снижения среднего уровня.