ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР

Широтно-импульсный модулятор.
Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована при построении устройств управления высокочастотных импульсных источников электропитания.
Известен широтно-импульсный модулятор (ШИМ), содержащий генератор линейно изменяющегося напряжения, усилитель сигнала обратной связи, компаратор защиты по току и компаратор широтно-модулированного сигнала 1, 2. ШИМ используется при построении устройств управления импульсных источников питания для выработки сигналов управления силовыми ключами.
К недостаткам указанного технического решения можно отнести реализацию его на аналоговых функциональных узлах (усилители, компараторы), которые независимо от режима работы непрерывно потребляют ток. В результате весь узел ШИМ потребляет относительно большой ток (десятки миллиампер). Это снижает общий КПД источника питания, использующего указанный ШИМ, усложняет его, заставляя вводить дополнительный низковольтный канал специально для питания ШИМ. Если, к тому же, модулятор работает на высокой частоте (сотни килогерц), вышеупомянутые функциональные узлы его выполняются на биполярных транзисторах, что ещё больше увеличивает потребление энергии. При уменьшении нагрузки на выходе источника питания или холостом ходе напряжение канала питания такого ШИМ уменьшается до значений, препятствующих нормальной работе источника питания в целом. Перечисленные недостатки сужают функциональные возможности и область применимости рассмотренного технического решения.
МКИ7: G 05 F 1/56 источником питания, приведённый в 3. Его функциональная схема показана
на фиг. 1. Широтно-импульсный модулятор содержит источник питания, регулирующий элемент, первый вывод которого соединён с первым выводом источника питания, а второй вывод - с первым выводом ограничительного резистора, второй вывод которого соединён с первым выводом суммирующего резистора, второй вывод которого соединён с первыми выводами источника тока контролируемой цепи и резисторного датчика тока, вторые выводы которых соединены со вторым выводом источника питания, логическая микросхема на основе комплементарных МОП-транзисторов (далее - КМОП-микросхема), содержащая не менее двух инверторов, первый вывод питания которой соединён с первым выводом источника питания, а второй вывод питания - со вторым выводом источника питания, выход первого инвертора соединён с входом второго инвертора, выход которого является выходом ШИМ, частотозадающий конденсатор, подключенный между входом первого инвертора и выходом второго инвертора, частотозадающий резистор, подключенный между входом и выходом первого инвертора и транзистор, коллектор которого подключен к входу первого инвертора, эмиттер - к второму выводу источника питания, а база - к первому выводу суммирующего резистора.
На функциональной схеме ШР1М, приведённой в 3, регулирующий элемент выполнен на фототранзисторе оптрона VT2 с резистором R8, ограничительным резистором является резистор R5, транзистором транзистор VT1, суммирующим резистором - резистор R6, источник тока контролируемой цепи выполнен на трансформаторе тока ТА1 и диоде VD3, а резисторным датчиком тока является резистор R7. Роль частотозадающих конденсатора и резистора выполняют соответственно элементы СЗ и R4, а первого и второго инверторов - инверторы D1 и D2 соответственно. Питается ШИМ энергией, аккумулированной в конденсаторе С1, который, в свою очередь, заряжается от внешнего источника энергии через резистор R2. Незадействованные в работе схемы ШИМ инверторы микросхемы могут
2 быть подключены параллельно второму инвертору для умощнения выхода
блока (на фиг. 1 не показано).
Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются источник питания, регулируюпдий элемент, первый вывод которого соединён с первым выводом источника питания, а второй вывод - с первым выводом ограничительного резистора, источник тока контролируемой цепи, первый и второй выводы которого соединены соответственно с первым и вторым выводами резисторного датчика тока, КМОП-микросхема, содержащая не менее двух инверторов, первый вывод питания которой соединён с первым выводом источника питания, а второй вывод питания - со вторым выводом источника питания, выход первого инвертора соединён с входом второго инвертора, частотозадающий конденсатор, подключенный между входом первого инвертора и выходом второго инвертора, частотозадающий резистор, подключенный между входом и выходом первого инвертора.
ШИМ прототипа работает следующим образом. На первом и втором инверторах выполнен задающий генератор прямоугольных импульсов, исходная длительность импульса „ макс и паузы „ макс которого определяется номиналами частотозадающих резистора и конденсатора. Временная диаграмма напряжения на выходе задающего генератора, выход которого является выходом ШР1М, показана на фиг. 2а. Источник тока контролируемой цепи измеряет мгновенное значение тока в цепи силового ключа. Мгновенное значение напряжения на резисторном датчике тока пропорционально значению указанного тока и показано на фиг. 26. Во время единичного состояния на выходе ШИМ силовой ключ открыт, ток в контролируемой цепи увеличивается, во время нулевого состояния на выходе ШИМ силовой ключ закрыт, и ток в контролируемой цепи отсутствует. Максимальному значению тока в контролируемой цепи 1макс соответствует напряжение на резисторном датчике тока, равное напряжению «база-эмиттер открытого транзистора Ибэ откр 0,7 Вольт.
3 Регулирование происходит следующим образом. При включении
сначала ПШМ вырабатывает импульсы максимальной длительности, и напряжение на резисторном датчике тока увеличивается, оставаясь меньше напряжения открывания транзистора Ugg откр (фиг.2в). Сигнал обратной связи отсутствует. Сопротивление регулирующего элемента чрезвычайно велико. Если во время очередного рабочего такта указанное выше значение Убэ откр 0,7 Вольт будет достигнуто, транзистор откроется, и на выходе ШИМ будет принудительно установлено нулевое состояние. Силовой ключ закроется, что защитит его от перегрузок по току. Когда регулируемый параметр ШИМ, например, выходное напряжение импульсного источника питания, достигнет своего номинального значения, появится сигнал обратной связи, сопротивление регулирующего элемента уменьшится и протекающий через него ток создаст на базе транзистора постоянное смещение. Поскольку предельное значение напряжения на базе транзистора Ибэ откр не может быть более 0,7 Вольт, должна будет уменьшиться амплитуда импульсной составляющей напряжения - падения напряжения на резисторном датчике тока. А это, в свою очередь, может быть достигнуто только уменьшением длительности импульса на выходе ШИМ. Таким образом, изменяя степень проводимости регулирующего элемента можно в широких пределах изменять длительность выходного импульса ШИМ.
К недостаткам рассматриваемого технического решения относится температурная зависимость максимального тока в контролируемой цепи 1максОна обусловлена тем, что напряжение Убэ откр дрейфует при изменении температуры со скоростью около -2,2 мВ/°С. При изменении температуры ШИМ от -60 °С до +100 °С это изменение составит примерно 50 %. Во столько же раз изменится и значение максимального тока в контролируемой цепи.
Другой важный недостаток указанного технического решения состоит в том, что для уменьшения тока, потребляемого ШОИМ от источника питания, транзистор должен работать в режиме малых токов. Однако при этом
u //3/i / g
4 увеличивается время его закрывания, т. к. рассасывание избыточного заряда в
областях базы и коллектора происходит именно током. Указанная особенность не позволяет уменьшить минимальную длительность выходного импульса ТТТИМ менее некоторого значения (для рассматриваемого устройства оно составляет около 2 микросекунд). Это ограничивает максимальную частоту работы ШИМ, ухудшает его динамические характеристики при малых длительностях выходного импульса, т. е. сужает его функциональные возможности.
Ещё один недостаток рассматриваемого ШИМ состоит в следующем. Импульсная составляющая напряжения на базе транзистора Убэ имп, поступающая с резисторного датчика тока, определяется из выражения:
Ибэ имп  ирд,  (Rorp + Rper) / ( RE + Rorp + Rper ), ГДе
UpjT - напряжение на резисторном датчике тока;
RS - сопротивление суммирующего резистора;
Rorp - сопротивление ограничительного резистора;
Rper - сопротивление регулирующего элемента;
С увеличением сигнала обратной связи возрастает степень открывания регулирующего элемента, т. е. уменьшается его сопротивление. При этом увеличивается постоянное смещение на базе транзистора и уменьшается амплитуда импульсной составляющей, выделяемой на резисторном датчике тока. Однако, как следует из приведённого выражения, амплитуда и крутизна линейно возрастающей части импульсной составляющей на базе транзистора уменьшаются в ещё большей степени. Это, в свою очередь, снижает устойчивость при работе в режиме короткого выходного импульса и максимальную частоту работы, повышает вероятность возникновения возбуждения импульсного источника питания, в котором работает описываемый ШИМ.
Кроме того, к особенностям работы рассматриваемого ШИМ относится регулирование коэффициента заполнения выходных импульсов путём уменьшения длительности исходного импульса „ макс ДО минимального
//я/У
5
его значения „ мин при ностоянной длительности паузы „. В процессе регулирования изменяется частота работы ШИМ, что делает невозможной синхронизацию его с другими узлами аппаратуры и сужает функциональные возможности рассматриваемого ШИМ.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение температурной стабильности выходных параметров, максимальной рабочей частоты, расширение области устойчивой работы и увеличение функциональных возможностей ШИМ.
Поставленная техническая задача решается тем, что предлагается ШИМ, содержавший источник питания, регулирующий элемент, первый вывод которого соединён с первым выводом источника питания, а второй вывод - с первым выводом ограничительного резистора, источник тока контролируемой цепи, первый и второй выводы которого соединены соответственно с первым и вторым выводами резисторного датчика тока, КМОП-микросхема, содержаш,ая не менее двух инверторов, первый вывод питания которой соединён с первым выводом источника питания, а второй вывод питания - со вторым выводом источника питания, выход первого инвертора соединён с входом второго инвертора, частотозадающий конденсатор, подключенный между входом первого инвертора и выходом второго инвертора, частотозадающий резистор, подключенный между входом и выходом первого инвертора, причём в него введены второй конденсатор, второй резистор и диод, а КМОП-микросхема должна содержать не менее пяти инверторов, причём вход третьего инвертора подключен к первому выводу резисторного датчика тока, второй вывод которого соединён с первым выводом ограничительного резистора, катод диода подключен к выходу третьего инвертора, а его анод через второй резистор - к вторым выводам источника питания и ограничительного резистора, второй конденсатор подключен между выходом второго инвертора и анодом диода, который соединён с входом четвёртого инвертора, выход которого подключен к входу пятого инвертора, выход
которого является выходом широтно-импульсного модулятора.
Введение в устройства дополнительных элементов и новых неочевидных связей позволили устранить температурную зависимость выходных параметров, расширить область устойчивой работы ШРТМ, увеличить максимальную рабочую частоту, сделать возможной внешнюю синхронизацию, что расширяет его функциональные возможности.
Заявитель не обнаружил технических решений, имеющих сходные признаки с признаками, отличаюш;ими заявляемое решение от прототипа, а, следовательно, предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями.
Предлагаемое устройство изготавливается из стандартных элементов, которые серийно выпускаются промышленностью. Оно собирается типовыми монтажными операциями с помощью стандартного оборудования и не требует регулировки, что особенно важно при серийном производстве. Поэтому предлагаемое устройство удовлетворяет критерию промышленной применимости.
На фиг. 3 приведена функциональная схема предлагаемого ШИМ.
Предлагаемый широтно-импульсный модулятор содержит источник питания 1, регулирующий элемент 2, ограничительный резистор 3, источник тока контролируемой цепи 4, резисторный датчик тока 5, частотозадающие конденсатор 6 и резистор 7, КМОП-микросхему 8, содержащую не менее пяти инверторов И1 - Pin, диод 9, второй резистор 10 и второй конденсатор 11.
В предлагаемом ШИМ первый вывод питания микросхемы 8 соединён с первыми выводами регулирующего элемента 2 и источника питания 1, второй вывод питания микросхемы 8 соединён со вторыми выводами ограничительного резистора 3 и источника питания 1. Второй вывод регулирующего элемента 2 соединён с первым выводом ограничительного резистора 3 и вторыми выводами источника тока контролируемой цепи 4 и резисторного датчика тока 5, первые выводы которых подключены к входу
Г//уУ/
7 третьего инвертора ИЗ. Выход третьего инвертора ИЗ соединён с катодом
диода 9, анод которого соединён с входом четвёртого инвертора И4, выход которого нодключен к входу пятого инвертора И5, выход которого является выходом ШР1М. Частотозадающий конденсатор 6 подключен между входом первого инвертора И1 и выходом второго инвертора И2. Частотозадающий резистор 7 подключен между входом и выходом первого инвертора И1. Второй конденсатор 11 подключен между выходом второго инвертора И2 и входом четвёртого инвертора И4, а второй резистор 10 - между входом четвертого инвертора И4 и вторым выводом источника питания 1.
В качестве регулирующего элемента 2, как и в прототипе, может быть применён какой-либо элемент, изменяющий своё сопротивление, например, фототрапзистор или фотодиод оптрона, магнитодиод и т. д. Источником тока контролируемой цепи 4 может служить, например, трансформатор тока, первичная обмотка которого включена в защищаемую силовую цепь.
Работа предлагаемого ШИМ поясняется с помощью временных диаграмм, показанных на фиг. 4. При включении сигнал обратной связи отсутствует, регулирующий элемент 2 закрыт, напряжение на ограничительном резисторе 3 практически равно 0. Задающий генератор, выполненный на инверторах И1 и И2, вырабатывает прямоугольные импульсы с постоянной длительностью единичного 1и и нулевого tn состояний (первый период колебаний на фиг. 4а), продолжительность которых определяется номиналами частотозадающих конденсатора 6 и резистора 7. Для правильпой работы ШИМ должно выполняться соотношение:
(tH + tn).
При этом условии за время импульса и паузы второй конденсатор С2 не будет успевать перезаряжаться через второй резистор R2, на входе четвёртого инвертора действует импульспое напряжение практически той же формы, что и на выходе задающего генератора. Это, в свою очередь, означает, что напряжение на выходе ШИМ имеет ту же форму, что и на выходе задающего генератора.
l //:}/ /
8 Временная диаграмма тока контролируемой цени (или нанряжения на
резисторном датчике тока 5) ноказана на фиг. 46. Отличие состоит в том, что максимальному значению тока соответствует нанряжение на резисторном датчике тока не Ибэ откр 0,7 Вольт, как у прототипа, а пороговое напряжение микросхемы (для КМОП-микросхем это значение составляет 0,4...0,5 от напряжения их питания). При достижении мгновенным значением указанного напряжения пороговой величины выход инвертора ИЗ, а вслед за ним напряжение на входе четвёртого инвертора устанавливаются состояние логического О, заканчивая импульс на выходе ШИМ раньше, чем он заканчивается на выходе задающего генератора. Увеличение тока в контролируемой цепи прекращается. Выход инвертора ИЗ после этого снова устанавливается в состояние логической 1, однако на входе четвёртого инвертора И4 перезарядившимся вторым конденсатором С2 удерживается нулевое состояние, которое продолжается вплоть до установления на выходе задающего генератора единичного состояния. Когда регулируемый параметр ШИМ, например, выходное напряжение импульсного источника питания, достигнет своего номинального значения, появится сигнал обратной связи, сопротивление регулирующего элемента 2 уменьшится и протекающий через него ток создаст на ограничительном резисторе 3 постоянное смещение (фиг.4в). Поскольку мгновенное значение напряжения на входе инвертора ИЗ не может быть более порогового значения Unop, должна уменьшиться амплитуда импульсной составляющей напряжения - падение напряжения на резисторном датчике тока Ирдт. А это, в свою очередь, может быть достигнуто только уменьшением длительности импульса на выходе ШИМ. Таким образом, изменяя степень проводимости регулирующего элемента можно в широких пределах изменять длительность выходного импульса ШИМ.
Во время регулирования длительность импульса на выходе ШИМ меняется, однако его частота остаётся постоянной. Это делает возможной синхронизацию работы ШИМ с другими узлами аппаратуры, что невозможно у прототипа. Передний фронт импульса предлагаемого модулятора совпадает по времени с передним фронтом импульса задающего генератора.
Местоположением заднего фронта - величина изменяемая. Это означает, что по классификации теории автоматического регулирования предлагаемый модулятор относится к классу широтно-импульсных модуляторов II рода.
Порог КМОП-микросхем практически не зависит от температуры 4, поэтому предлагаемый ШИМ сохраняет значение максимального тока в контролируемой цепи 1макс во всём диапазоне рабочих температур, что выгодно отличает его от прототипа.
Поскольку входное сопротивление КМОП-инвертора чрезвычайно велико (10...10° Ом), мгновенное значение напряжения на входе инвертора ИЗ равно сумме падения напряжения на ограничительном резисторе 3 и резисторном датчике тока 5:
При изменении сопротивления регулирующего элемента 2 во время работы ШИМ на входе третьего инвертора ИЗ изменяется постоянное смещение Uorp. Однако, амплитуда и крутизна линейно возрастающего участка импульсной его составляющей Up, как следует из выражения, не зависит от величины сопротивления регулирующего элемента 2. Это означает, что предлагаемый ШИМ имеет неизменный уровень устойчивости, не зависящий от длительности выходного импульса, что расширяет его функциональные возможности по сравнению с прототипом.
Поскольку задержка при переключении элементов КМОПмикросхемы не зависит от величины коммутируемого ими тока и существенно меньше, чем у биполярного транзистора в режиме микротоков, минимальная длительность выходного импульса предлагаемого ШИМ значительно меньше, чем у прототипа. Испытанный образец ШИМ имеет минимальную длительность выходного импульса примерно 0,5 микросекунд, что в 4 раза меньше, чем у прототипа. Кроме того, с уменьшением длительности импульса у предлагаемого ШИМ увеличивается пауза, которая имеет максимальное значение, равное Т - „ мин  Т  1и + „., а не tn, как у
UBX из  Uorp + Upax.
прототипа. Таким образом, предлагаемый ШИМ практически обеспечивает в 7..8 раз меньший коэффициент заполнения выходного импульса, чем прототип. Это позволяет значительно увеличить максимальную рабочую частоту при заданном минимальном коэффициенте заполнения выходного импульса ШИМ, либо при том же самом значении рабочей частоты получать в 7... 8 раз меньший коэффициент заполнения, что расширяет функциональные возможности устройства. Причём потребляемый ШИМ ток остаётся на том же уровне, что и у прототипа.
Кроме того, поскольку производящиеся с настоящее время КМОПмикросхемы содержат до шести инверторов, электрическая схема предлагаемого ШИМ реализуется по-прежнему на одной микросхеме с добавлением трёх пассивных элементов.
Источники, используемые при написании заявки.
1.Интегральные микросхемы: Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. - М. ДОДЭКА, 1997 г., 224 с. - ISSN-587835-0010-6. с. 38.
2.Интегральные микросхемы: Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. - М. ДОДЭКА, 1997 г., 224 с. - ISSN-587835-0010-6. с. 87.
3.А. А. Миронов. Опыт разработки управляющей схемы для модулей электропитания постоянного тока. Научно-технический сборник «Электропитание. Вып. 3, с.76-79.- М., 2001 г.
4.Зельдин Е. А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1986.- стр. 77.