МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
MULTICHANNEL PULSE-WIDTH CONVERTER

Изобретение относится к области импульсной и преобразовательной техники и может быть использовано в ключевых усилителях мощности и преобразователях напряжения с широтно-импульсной модуляцией, в том числе для мощных генераторных устройств гидроакустических передающих трактов.
Широтно-импульсные преобразователи (ШИП) применяются для управления мощными ключевыми элементами (силовыми транзисторами) в импульсных схемах преобразования параметров потока электроэнергии, в том числе в усилителях класса D и ключевых генераторных устройствах [1]. Как правило ШИП обеспечивает формирование последовательности импульсов, модулированных по длительности, посредством сравнения модулирующего аналогового сигнала низкой частоты Ω с опорным, линейно изменяющимся пилообразным напряжением тактовой частоты ω, значительно (более чем в 10 раз) превышающей максимальное значение Max[Ω]. В общем случае ШИП такого типа содержит генератор пилообразного напряжения, выход которого соединен с одним из входов устройства сравнения (компаратора), другой вход которого соединен с шиной модулирующего сигнала, а выход которого соединен с входом управления ключевого усилителя мощности [2]. Основными требованиями, предъявляемыми к таким устройствам, являются линейность модуляционной характеристики и устойчивость работы. Последнее требование особенно значимо для условий применения в ключевых усилителях мощности и преобразователях напряжения. В таких устройствах переключение мощных полупроводниковых приборов связано с интенсивной импульсной высокочастотной помехой, синхронной с формированием фронта и спада импульсов на выходе ШИП. Причем именно в эти моменты времени величины модулирующего сигнала и опорного пилообразного напряжения весьма близки, и даже незначительная высокочастотная наводка в цепях устройства сравнения может приводить к повторным переключениям и дроблению фронта и спада импульсов. Это, в свою очередь, обуславливает повторные переключения в ключевом усилителе мощности, что влияет на искажения модуляционной характеристики, резкое возрастание потерь энергии и, в конечном счете, на понижение надежности работы устройства в целом.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по количеству общих признаков является многоканальный широтно-импульсный преобразователь [3].
Устройство-прототип содержит опорный генератор, многоканальный ключевой усилитель мощности и четыре схемы сравнения, выполненных на релейных элементах с петлей гистерезиса для их устойчивой работы. Опорный генератор в известном устройстве выполнен на задающем генераторе, кольцевом счетчике и формирователях пилообразного напряжения, что позволяет обеспечить высокую идентичность опорных пилообразных напряжений в условиях формирования тактовых импульсов синхронизации.
Преимуществом устройства-прототипа по сравнению с известными аналогами является реализация многоканальной (четырехканальной) широтно-импульсной модуляции, что существенно улучшает качество результирующего выходного сигнала.
Также особенностью работы устройства-прототипа является формирование импульсного выходного сигнала посредством использования релейных элементов с помощью которых вводится петля гистерезиса переключений, и, как следствие, повышается помехоустойчивость устройства.
Однако, в устройстве-прототипе не учитывается, что при больших уровнях сигнала, в условиях синхронных помех, возникающих при коммутации быстродействующих мощных транзисторов, когда уровень входного сигнала и опорного пилообразного напряжения становятся сравнимы, любая высокочастотная помеха приводит к дополнительным переключениям, а устойчивость работы устройства снижается. В таких условиях обеспечение надежной работы требует увеличения гистерезиса релейных элементов, что в свою очередь приводит к резкому искажению суммарного выходного напряжения при уровнях сигнала, близких к ограничению.
Задачей настоящего изобретения является повышение помехоустойчивости и линейности модуляционной характеристики многоканального широтно-импульсного преобразователя.
Для решения поставленной задачи в известный многоканальный ШИП, содержащий генератор опорных сигналов, N пилообразных выходов которого соединены с соответствующими инверсными входами N сравнивающих устройств, прямые входы которых соединены параллельно к входной шине многоканального ШИП, а также N-канальный суммирующий ключевой усилитель, содержащий N входов, выход которого подключен к выходной шине устройства, введены новые признаки, а именно введено N пар устройств совпадения (УС) и N RS-триггеров. а N-канальный генератор опорных сигналов дополнительно содержит N выходов тактовых импульсов, синхронных с соответствующими выходами пилообразных напряжений, выходы каждого i-го RS-триггера соединены с соответствующим входом i-го канала N-канального суммирующего ключевого усилителя мощности, а входы S и R каждого i-го RS- триггера соответственно подключены к выходам первого и второго УС i-ой пары УС, при этом прямой вход первого УС каждой i-ой пары УС соединен с инверсным входом ее второго УС и с выходом i-го сравнивающего устройства, и инверсный вход первого УС каждой i-ой пары УС соединен с прямым входом ее второго УС и с i-ым выходом тактовых импульсов N-канального генератора опорных сигналов.
Техническим результатом изобретения является предотвращение повторных переключений в условиях воздействия синхронных помех и высокой скорости изменения входного сигнала, что повышает устойчивость работы заявляемого многоканального ШИМ в отсутствии амплитудного гистерезиса переключений.
Технический результат достигается за счет введения в предлагаемый многоканальный ШИП N пар устройств совпадения (УС), каждое из которых является логическим элементом с временным стробированием, на выходе которого генерируется результат сравнения широтно-импульсной последовательности и тактового импульса, таким образом обеспечивая формирование не более одного импульса за период Т, исключая тем самым дробление импульса.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и фиг. 2, где на фиг. 1 приведена структурная схема многоканального ШИП, на фиг. 2 - диаграмма сигналов, поясняющая работу двухканального ШИП.
Многоканальный широтно-импульсный преобразователь (фиг. 1) содержит N-канальный генератор опорных сигналов 1, N сравнивающих устройств (СУ) 2.1-2.N, N пар устройств совпадения (УС) 3.1-3.N, N RS-триггеров (RS) 4.1-4.N, суммирующий ключевой усилитель мощности (КУМ) 5. Каждая пара УС 3.i содержит первое УС 3.i.1 и второе УС 3.i.2.
T
Генератор опорных сигналов 1 предназначен для формирования последовательности импульсов с постоянной частотой следования и одинаковой амплитуды. Пилообразные напряжения двух каналов, следующие с частотой f, формируются на выходах генератора со сдвигом по фазе π.
Сравнивающие устройства 2.1-2.N предназначены для формирования широтно-импульсной последовательности сигналов посредством сравнения низкочастотного модулирующего сигнала с опорным пилообразным напряжением. Сравнивающее устройство может выполнено на компараторе.
Каждое устройство совпадения 3.1.1-3.N.2 может быть выполнено на логических элементах 2И, инверторе и повторителе, причем выходы повторителя и инвертора подключены соответственно к входам элемента 2И, выход которого соединен с входом S или R RS-триггера.
П1
П2
ВХ
1
2
1
Т1
Т2
Т
Т1
Т2
Работу заявленного ШИП продемонстрируем на примере ШИП, содержащего два канала. Широтно-импульсный модулятор работает следующим образом: на выходах генератора опорных сигналов 1 формируются пилообразные напряжения U, U, поступающие соответственно на инверсные входы сравнивающих устройств 2.1, 2.2, при этом на прямые входы, соединенные параллельно поступает входной сигнал U. В результате сравнения входного сигнала с пилообразным напряжением на выходах сравнивающих устройств 2.1, 2.2 формируются модулированные импульсные последовательности U и U. Импульсная последовательность U поступает на прямой вход устройства совпадения 3.1.1 и инверсный вход устройства совпадения 3.1.2, а импульсная последовательность U2 поступает на прямой вход устройства совпадения 3..2.1 и инверсный вход устройства совпадения 3.2.2. В то же время генератор опорных сигналов 1 формирует на выходе две последовательности тактовых импульсов U, U со скважностью 2, следующих с частотой f, сдвинутых по фазе на π. Импульсы U поступают на инверсный вход устройства совпадения 3.1.1 и прямой вход устройства совпадения 3.1.2, а импульсы U поступают на инверсный вход устройства совпадения 3.2.1 и прямой вход устройства совпадения 3.2.2.
1
S1
Т1
R1
R2
S2
1
2
1
2
ОШ
1
2
ВЫХ
1
2
По результатам сравнения инверсной последовательности тактовых импульсов  с модулированной импульсной последовательностью U, на выходе устройства совпадения 3.1 формируется последовательность импульсов U, поступающая на вход S RS-триггера 4.1, а по результатам сравнения прямой последовательности прямоугольных импульсов U с модулированной импульсной последовательностью  на выходе устройства совпадения 3.2 формируется последовательность импульсов U, поступающая на вход R RS-триггера 4.1. Аналогично формируются последовательности импульсов U, U для второго канала. На выходах RS-триггеров 4.1, 4.2 формируются устойчивые импульсные последовательности, выделяемые на выводах каналов ключевого усиления в виде импульсных напряжений V, V, повторяющие форму напряжений U, U без искажений от возникшей на входе устройства ВЧ помехи U. В суммирующем ключевом усилителе мощности 5 сигналы V, V суммируются, образуя сигнал V и на выходе усилителя 5 формируется восстановленный сигнал U. Следует отметить, что разделение импульсов ШИМ U, U для последующего восстановления через RS-триггеры исключает воздействие синхронных помех на повторное переключение мощных ключевых элементов КУМ, что существенно повышает устойчивость работы заявляемого устройства.
П1
П2
ОШ
R1
S1
R2
S2
1
2
ВЫХ
Временные диаграммы сигналов, поясняющие работу заявляемого устройства на примере двухканальной схемы приведены на фиг. 2, где последовательно представлены пилообразные напряжения двух каналов U, U, генерируемые двухканальным генератором опорных сигналов 1, ВЧ помеха U, импульсные модулированные последовательности U1, U2 на выходах сравнивающих устройств 2.1-2.2, инвертированные последовательности тактовых импульсов ,  с постоянной частотой следования, генерируемые двухканальным генератором опорных сигналов 1, напряжения U, U, U, U на выходах пар устройств совпадения первого и второго каналов, восстановленные импульсные модулированные последовательности двух каналов V, V на выходах RS-триггеров 4.1,4.2, суммарное напряжение двух каналов V, восстановленный низкочастотный сигнал U на выходе двухканального суммирующего ключевого усилителя мощности 5.
Проблема возникновения дробления импульсов и, как следствие, многократных ВЧ переключений ключевых элементов, устраняется за счет временного стробирования посредством введения в состав ШИП устройств совпадения и RS-триггеров. В результате применения предлагаемого технического решения может происходить только одно переключение за время нарастания, либо спада импульсного напряжения. Первое изменение сигнала на выходе соответствующего устройства сопряжения фиксируется RS-триггером, формирующим фронт, либо спад импульсов. Соответственно повторное переключение возможно только в следующий временной интервал стробирования. Таким образом, исключается возможность многократных ВЧ переключений, чем достигается увеличение устойчивости устройства.
Таким образом, при устранении высокочастотных помех при коммутации исключаются многократные переключения ключевых элементов, вызывающие дополнительные потери - на каждое дополнительное переключение увеличение относительных потерь мощности может достигать 20% от суммарных потерь энергии.
Преимуществом предлагаемой реализации является повышение надежности работы заявляемого устройства и значительное уменьшение потерь энергии при использовании многоканального ШИП в составе ключевых усилителей низкой частоты.
Данная реализация многоканального ШИП позволяет расширить возможность его применения в гидроакустическом оборудовании, особенно в аппаратуре звукоподводной связи и гидролокации.
На предприятии изготовлены макеты устройства-прототипа и заявляемого устройства, сопоставительные испытания которых при работе на нагрузку подтвердили преимущества заявляемого технического решения в повышении надежности работы и его качественных показателей. Предлагаемое устройство обеспечило стабильную работу во время испытаний, что позволило рекомендовать его внедрение в новые заказы предприятия.
Источники информации
1. Кибакин В.М. Основы ключевых методов усиления. М.: Энергия. 1980.
2. Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. М.: Связь. 1987 г.
3. АС №1226640. Широтно-импульсный модулятор. /В.А. Александров и др., опубликован 23.04.86.