Двухканальный широтно-импульсный модулятор с двойным регулирующим воздействием на наклон пилообразного напряжения

Полезная модель относится к области электроники и может быть применена при разработке вторичных источников питания (ВИП).
Широтно-импульсный модулятор (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 (патент №168842, проритет от 10 ноября 2016 г) с двойным регулирующим воздействием на наклон пилообразного напряжения, в котором счетный триггер распределителя импульсов (РИ) на два канала переключается импульсами постоянной длительности равной длительности, формируемой генератором импульсов (импульс tги). В состав схемы такого ШИМ входят следующие элементы: два элемента 3 И, три элемента 3 И-НЕ, один инвертор, двунаправленный ключ типа КТЗ (серия 564), счетный триггер, выполненный на основе триггера Д типа, фиксирующего информацию по фронту спада входного сигнал tги (фронт 10). То есть такой ШИМ реализуется на достаточно большом количестве элементов и притом функционально разнотипных (элементы И, И-НЕ), что является его недостатком. Наиболее близкой по технической сущности является схема двухканального ШИМ, приведенная в заявке на полезную модель (заявка №2017123025/08(039815) от 29.06.2017, по которой принято положительное решение о выдаче патента)). Эта схема ШИМ реализована на меньшем числе однотипных элементов ИЛИ-НЕ, выполняет аналогичные функции и поэтому выбрана за прототип.
Схема ШИМ из заявки приведена на фиг. 1. Она включает в себя времязадающую цепь, содержащую времязадающие резистор 1 и конденсатор 2, электронный ключ 3 с тремя выводами: управляющий «У», «общий» и «выход», фототранзистор обратной связи 4, счетный триггер 7, выполненный на Д триггере, при этом первый вывод резистора 1 подключен к плюсовой клемме входного источника питания Uвх., а второй его вывод подсоединен к первой обкладке конденсатора 2, к выводу «выход» электронного ключа 3, вывод «общий» которого подсоединен к шине «общая» входного источника питания, к эмиттеру фототранзистора 4, коллектор которого подсоединен к плюсовой шине внутреннего источника питания Евн.пит., R-S триггер на двух элементах 2 ИЛИ-НЕ 5 и 6, два канальных вентиля 3 ИЛИ-НЕ, 8 и 9, электронный ключ 10, при этом первая обкладка конденсатора 2 подсоединена к первому входу элемента 2 ИЛИ-НЕ 6 R-S триггера, а тактовый вход «С» счетного триггера 7, срабатывающего по фронту нарастания входного сигнала (фронт01), подключен к управляющему входу «У» электронного ключа 3, к третьим входам вентилей 3 ИЛИ-НЕ 8 и 9 и к первому входу элемента 2 ИЛИ-НЕ 5 R-S триггера, при этом выход элемента 2 ИЛИ-НЕ 5 R-S триггера подсоединен к первым входам вентилей 3 ИЛИ-НЕ 8, 9 и к управляющему входу «У» электронного ключа 10, вторые входы элементов 3 ИЛИ-НЕ 8 и 9 подключены соответственно к прямому и инверсному выходам счетного триггера 7, а вывод «общий» электронного ключа 10 подсоединен к шине «общая» входного источника питания, при этом управляющий вход «У» электронного ключа 3 является входом двухканального ШИМ. Схема ШИМ, приведенная на фиг. 1. и работает следующим образом. Поступающий на управляющий вход (вход «У») ключа 3 импульс tги (см. фиг. 2. - диаграмма сигналов на выходах вентилей схемы ШИМ) с уровнем логической 1 (лог. 1), одновременно поступает на вход элемента 5, вход «С» счетного триггера 7 и на два элемента 3 ИЛИ-НЕ 8 и 9. В результате, по фронту входного импульса (момент t0 на фиг. 2) счетный триггер 7 перейдет в инверсное состояние, R-S триггер в состояние лог. 0 (на выходе элемента 2 ИЛИ-НЕ 5 уровень лог. 0, а на выходе элемента 2 ИЛИ-НЕ 6 уровень лог. 1), а на выходах элементов 3 ИЛИ-НЕ 8 и 9 будут действовать уровни лог. 0, т.е. в момент действия импульса tги осуществляется блокировка (запрет) передачи информации с выходов счетного триггера 7 на входы элементов 3 ИЛИ-НЕ 8 и 9. Эта блокировка будет действовать в течение всей длительности импульса tги. После окончания действия импульса tги (момент t1 на фиг. 2) на выходе вентиля 2 ИЛИ-НЕ 5 останется действовать сигнал с уровнем лог. 0, а на выходе вентиля 2 ИЛИ-НЕ 6 - уровень лог. 1. В итоге, только на выходе одного из двух элементов 3 ИЛИ-НЕ 8 (канал1-Кн1) или 3 ИЛИ-НЕ 9 (канал2-Кн2) сформируется рабочий сигнал с уровнем лог. 1, который затем поступит на затвор одного из силовых МОП транзисторов преобразователя ВИП.
Одновременно, по окончании импульса tги начнется процесс заряда времязадающего конденсатора 2 по цепи резистор 1, конденсатор 2 практически постоянным током.
Следовательно, напряжение на конденсаторе 2 будет нарастать по линейному закону, т.е. по закону
При достижении на конденсаторе 2 напряжения Uc2 (момент t2 на фиг. 2) равного порогу срабатывания элемента 2 ИЛИ-НЕ 6 (Uc2=Uпор. элемента 2 ИЛИ-НЕ 6) R-S триггер на элементах 2 ИЛИ-НЕ 5 и 6 установится в состояние лог. 0 (на выходе элемента 2 ИЛИ-НЕ 6 уровень лог. 0, а на выходе элемента 2 ИЛИ-НЕ 5 - уровень лог. 1), и формирование длительности импульса ШИМ (tи.ш.) завершится. При этом сигнал с уровнем лог. 1 с выхода вентиля 2 ИЛИ-НЕ 5 поступит на управляющий вход «У» электронного ключа 10, и начнется разряд конденсатора 2 через малое сопротивление открытого электронного ключа 10.
Недостатком схемы ШИМ прототипа является некая избыточность в числе элементов.
Поэтому целью полезной модели является построение схемы ШИМ на меньшем числе элементов. Поставленная цель достигается тем, что в схеме двухканального ШИМ, содержащей времязадающие резистор 1 и конденсатор 2, электронный ключ 3 с тремя выводами: управляющий «У», «общий» и «выход», фототранзистор обратной связи 4, счетный триггер 5, выполненный на Д триггере, два элемента 3 ИЛИ-НЕ, 6.7 при этом первый вывод резистора 1 подключен к плюсовой клемме входного источника питания Uвх., а второй его вывод подсоединен к первой обкладке конденсатора 2, к выводу «выход» электронного ключа 3, вывод «общий» которого подсоединен к шине «общая» входного источника питания, к эмиттеру фототранзистора 4, коллектор которого подсоединен к плюсовой шине внутреннего источника питания Евн.пит., входной сигнал поступает на управляющий вход «У» электронного ключа 3, на счетный вход «С» триггера 5, на первые входы элементов 3 ИЛИ-НЕ, вторые входы которых подключены к прямому и инверсному выходам триггера 5, введена связь с первой обкладки конденсатора 2 на первые входы элементов 3 ИЛИ-НЕ 6, 7.
Схема ШИМ приведена на фиг. 3 и работает следующим образом. Поступающий на управляющий вход (вход «У») ключа 3 входной сигнал с уровнем логической 1 (лог. 1), одновременно поступает на вход «С» счетного триггера 5 и на входы дух элементов 3 ИЛИ-НЕ 6 и 7. В результате, по фронту входного импульса счетный триггер 5 перейдет в инверсное состояние, а на выходах элементов 3 ИЛИ-НЕ 6 и 7 будут действовать уровни лог. 0, т.е. в момент действия импульса tги осуществляется блокировка (запрет) передачи информации с выходов счетного триггера 5 на входы элементов 3 ИЛИ-НЕ 6 и 7. Эта блокировка будет действовать в течение всей длительности импульса tги. После окончания действия импульса tги на выходе одного из вентилей 3 ИЛИ-НЕ 6, 7 сформируется сигнал с уровнем лог. 1 (а именно на том, на трех входах которого будут одновременно действовать сигналы с уровнем лог. 0), и начнется заряд конденсатора 2 через резистор 1. При достижении на конденсаторе 2 напряжения Uc2 равного порогу срабатывания элемента 3 ИЛИ-НЕ 6, 7 (Uc2=Uпор. элемента 3 ИЛИ-НЕ 5, 6), на выходах элементов 3 ИЛИ-НЕ 6, 7 - сформируется лог. 0, и формирование длительности импульса ШИМ (tи.ш.) на этом завершится. И схема перейдет в режим ожидания прихода следующего импульса tги. Через транзистор 4 осуществляется отслеживание изменение напряжения на выходе при изменениях тока нагрузки ВИП. Например, при снижении тока нагрузки увеличивается напряжение на выходе ВИП. В результате увеличивается ток через светодиод и, следовательно, через фототранзистор 4. Через конденсатор 2 течет больший по величине ток, что приводит к более быстрому заряду конденсатора 2 до напряжения Uc2. И, как следствие, уменьшению длительности импульса, формируемого схемой ШИМ, и, следовательно, к стабилизации выходного напряжения до заданной величины. В предлагаемой схеме ШИМ отсутствует ограничение напряжения пилы по амплитуде, которое будет иметь место при входном напряжении Uвх>Uвх.мин. (напомним, что для бортовых ВИП напряжение Uвх.мин., как правило, составляет 23B). Последнее означает, что при Uвх>Uвх.мин. амплитуда напряжения пилы Uc2 превысит напряжение порога переключения элементов 3 ИЛИ-НЕ 5, 6, и при напряжении Uвх=2Uвх.мин.=46В оно может дорасти до напряжения внутреннего питания Евн.пит., которое, при использовании низкопороговых МОП, транзисторов, как правило, составляет 5B. Но последнее не отразится на работоспособности схемы ШИМ, поскольку формирование импульса ШИМ завершится, когда напряжение пилы достигнет величины Uc2=2.5В. Более того, увеличение напряжения Uc2, до величины более 2.5В имеет положительный момент, так как в этом случае увеличивается помехоустойчивость элементов 3 ИЛИ-НЕ 6, 7 к запирающей помехе (помеха, которая приводит к выключению элемента, т.е. приводит его из состояния лог. 0 в состояние лог. 1). Именно этим отличается предложенная схема ШИМ от схемы прототипа. В остальном работа предлагаемой схемы ШИМ полностью соответствует схеме прототипа.
Итак, схема предлагаемого ШИМ полностью выполняет функции прототипа, так как ее счетный триггер 5 управляется сигналами постоянной длительности равной длительности, формируемой генератором т.е. длительностью tги. Осталось сравнить их по экономичности т.е. по числу логических элементов (ЛЭ) или, что то же самое по числу транзисторов, в случае реализации ШИМ в виде кристалла на комплементарных МОП-транзисторах проводимостью п и р-типов. Напомним, что для реализации инвертора требуется два МОП транзистора (один транзистор проводимостью п-типа и один транзистор проводимостью р-типа), а для реализации элемента 3 ИЛИ-НЕ требуется 6 МОП транзистора (три транзистора проводимостью п-типа и три транзистора проводимостью р-типа), для реализации ключа 3 (в двунаправленном исполнении - типа КТ3 серии 564) - 4 транзистора (два транзистора n-типа и два транзистора р типа).
Сравнение схемы ШИМ прототипа, выполненной на элементах ИЛИ-НЕ с предлагаемой схемой ШИМ, приведенной на фиг. 3 (по числу элементов), показывает, что последняя из этих двух схем реализуется на меньшем числе ЛЭ или, что в данном случае то же самое, на меньшем числе транзисторов. В частности, цепь разряда конденсатора 2 в схеме прототипа реализуется на двух двунаправленных ключах 3, 10 (8 транзисторов), а предлагаемой схеме ШИМ, на одном ключе 3 (4 транзистора). И кроме того в предлагаемой схеме ШИМ отсутствует R-S триггер. А это еще минус 4 транзистора, и при этом необходимо иметь в виду, что R-S триггер потенциально может сбиться.
Следовательно, предлагаемая схема ШИМ обладает более высокой надежностью, потребляет меньшую мощность, и может найти более широкое применение. При этом необходимо отметить, что экономичность в числе транзисторов - это пункт, который особенно важен при реализации ШИМ в виде кристалла, поскольку источником помех в кристалле являются сами ЛЭ. Но сокращение числа ЛЭ будет способствовать не только снижению внутренних помех, но и уменьшению тепловыделения внутри кристалла. И, как следствие, увеличения срока службы элементов (т.е. повышение надежности), поскольку элементы работают в более облегченном тепловом режиме. При этом необходимо отметить, что предлагаемая схема ШИМ будет особенно эффективна при разработке бортовых ВИП, работающих в диапазоне входных напряжений 23-34В (практически, основной диапазон их работы).