УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦИФРОВОГО УПРАВЛЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ
DEVICE FOR DIGITAL CONTROL OF THE PULSE CONVERTER

Изобретение относится к электротехнике, может быть использовано для управления преобразователями постоянного напряжения на входе в постоянное напряжение на выходе и может найти применение в источниках электропитания различной электронной аппаратуры.
Известно устройство для цифрового управления импульсным преобразователем (см. авторское свидетельство СССР №1628161, «Устройство для цифрового управления импульсным преобразователем», В.А. Белов, С.Н. Жданов, опубликовано 15.02.91, БИ №6), содержащее задающий генератор, выход которого подключен к счетному входу счетчика, выходы которого соединены с первыми входами цифрового компаратора, вторые входы которого подключены к выходам реверсивного счетчика, блок управления с тактовыми выходами для уменьшения и увеличения выходного напряжения, выход сигнала сброса которого подключен к R-входам счетчика и реверсивного счетчика, выход цифрового компаратора и выход нулевого состояния счетчика подключены соответственно к R- и S-входам RS-тригтера, выход которого является выходом устройства. Устройство снабжено двумя элементами И, первым дешифратором нулевого состояния, вторым дешифратором полного заполнения, причем входы обоих дешифраторов подключены к выходам реверсивного счетчика, выход первого и второго дешифраторов подключены соответственно к первому входу первого и второго элементов И, выход первого элемента И соединен с вычитающим входом реверсивного счетчика, выход второго элемента И соединен с суммирующим входом реверсивного счетчика, вторые входы первого и второго элементов И соединены соответственно с тактовыми выходами уменьшения и увеличения выходного напряжения блока управления.
Выход триггера соединен с управляющим входом импульсного преобразователя.
Недостатком данного устройства является ограниченная область применения, так как из-за отсутствия обратной связи устройство позволяет управлять только теми преобразователями напряжения, которые запитывают нагрузку с постоянным сопротивлением (спирали нагревательных элементов, лампы освещения и т.п.), и непригодно для питания нагрузки с переменным сопротивлением.
Известно устройство широтно-импульсного модулятора релейного типа (см. книгу «Источники вторичного электропитания, схемотехника и расчет», Гейтенко Е.Н. – М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2008 - с. 187, рис. 6.6), содержащее аналоговый компаратор напряжения, прямой вход которого подключен к выходу импульсного преобразователя, инверсный вход соединен через первый резистор с задающим входом, а выход соединен с управляющим входом импульсного преобразователя и через второй резистор с затвором полевого транзистора, который через третий резистор соединен с истоком полевого транзистора и с минусовой шиной питания. Сток полевого транзистора через четвертый резистор соединен с инверсным входом аналогового компаратора напряжения, а через пятый резистор - с минусовой шиной питания.
Недостатком данного устройства является сложность цифрового управления, так как для этого требуется цифроаналоговый преобразователь напряжения для формирования напряжения на задающем входе и аналого-цифровой преобразователь для контроля выходного напряжения импульсного преобразователя. Другим недостатком данного устройства является зависимость ширины зоны «люфта» релейной характеристики и, следовательно, амплитуды пульсаций выходного напряжения импульсного преобразователя от величины напряжения на задающем входе.
Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Решаемой технической задачей является создание устройства с более простым цифровым управлением импульсным преобразователем и уменьшенной амплитудой пульсаций выходного напряжения.
Достигаемым техническим результатом является возможность задания выходного напряжения и его контроля в цифровом виде, что позволяет управлять импульсным преобразователем непосредственно с цифровых портов микроконтроллера.
Для достижения технического результата в устройстве для цифрового управления импульсным преобразователем, содержащем компаратор, вход которого является задающим входом устройства, а выход соединен с управляющим входом импульсного преобразователя, новым является то, что компаратор выполнен цифровым, а задающий вход выполнен в виде группы цифровых входов, дополнительно введен аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом импульсного преобразователя, а группа выходов соединена со второй группой входов цифрового компаратора и является группой цифровых выходов устройства, при этом выход цифрового компаратора выполнен в виде выхода «X≥Y».
Указанная совокупность существенных признаков позволяет упростить цифровое управление импульсным преобразователем за счет применения цифрового компаратора и снизить амплитуду пульсаций выходного напряжения импульсного преобразователя за счет ограничения зоны «люфта» релейной характеристики величиной шага регулирования выходного напряжения.
На фиг. 1 приведена схема устройства для цифрового управления импульсным преобразователем, на фиг. 2 - схема лабораторного источника питания, построенная на основе указанного устройства и демонстрирующая простоту управления импульсным преобразователем.
Устройство для цифрового управления импульсным преобразователем содержит цифровой компаратор 1, задающий вход 2, импульсный преобразователь 3 и аналого-цифровой преобразователь 4. Первая группа входов цифрового компаратора 1 соединена с задающим входом 2, выполненным в виде группы цифровых входов. Вход аналого-цифрового преобразователя 4 соединен с выходом импульсного преобразователя 3, а группа его выходов соединена со второй группой входов цифрового компаратора 1 и является группой цифровых выходов 5 устройства, при этом выход цифрового компаратора 1 выполнен в виде выхода «X≥Y».
Устройство для цифрового управления импульсным преобразователем (см. Фиг. 1) работает следующим образом.
При включении питания выходной конденсатор импульсного преобразователя 3 разряжен. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 4 формирует нулевой код, поступающий на вторую группу входов Y цифрового компаратора 1, на вторую группу входов X которого с задающего входа 2 поступает код заданного выходного напряжения. Код X больше кода Y, поэтому на выходе «X≥Y» цифрового компаратора 1 присутствует напряжение высокого уровня, включающее силовой ключ импульсного преобразователя 3. Выходной конденсатор импульсного преобразователя 3 заряжается, напряжение на нем растет и увеличивается код на выходе АЦП 4. Как только нарушится условие «X≥Y», то есть код Y станет больше кода X, на выходе «X≥Y» цифрового компаратора 1 установится напряжение низкого уровня, силовой ключ импульсного преобразователя 3 закроется. Напряжение на выходном конденсаторе импульсного преобразователя 3 начнет уменьшаться за счет разряда током нагрузки (или за счет тока утечки в режиме холостого хода). Как только указанное напряжение уменьшится настолько, что код Y станет равным коду X, на выходе «X≥Y» цифрового компаратора 1 опять установится напряжение высокого уровня, и далее процесс начнет периодически повторяться. При этом код на выходе АЦП периодически меняется следующим образом: X, Х+1, X, Х+1 …, где X - заданный код. Таким образом, амплитуда пульсаций на выходе преобразователя 3 («люфт» релейной характеристики) не зависит от режимов работы преобразователя и, при достаточно высоком быстродействии АЦП 4 и цифрового компаратора 1, практически равна одному шагу регулирования выходного напряжения. Чем выше разрядность АЦП 4 и цифрового компаратора 1, тем меньше амплитуда пульсаций выходного напряжения.
Управление импульсным преобразователем 3 сводится к заданию кода выходного напряжения на задающем входе 2 и контроля выходного напряжения путем контроля кода на цифровых выходах 5 устройства. Указанное управление может осуществляться:
- вручную с использованием реверсивного счетчика для формирования кода на задающем входе и цифрового индикатора для визуального контроля выходного напряжения;
- автоматически с использованием микроконтроллера;
- комбинированным способом, совмещающим ручное и автоматическое управление.
Для наглядности на фигуре 2 приведена схема лабораторного источника питания, реализующая комбинированный способ управления импульсным преобразователем.
В ручном режиме код на задающем входе 2 формируется реверсивным счетчиком 6, который управляется с помощью валкодера 7 и дешифратора 8. Индикация выходного напряжения осуществляется с помощью цифрового блока индикации 9. Прежде, чем поступить на вход цифрового блока индикации 9, информация с цифровых выходов 5 устройства поступает в микроконтроллер 10, где она фильтруется программным методом и преобразовывается в двоично-десятичный, а затем в семисегментный код.
В автоматическом режиме код на задающем входе 2 также формируется реверсивным счетчиком 6 путем загрузки в него по заданной программе кода с выходов микроконтроллера 10 через входы параллельной загрузки. Выходное напряжение контролируется программно, но параллельно может использоваться и блок индикации 9, как описано в предыдущем абзаце.
Для питания АЦП и других микросхем устройства используется дополнительный блок питания 11, построенный на стандартных микросхемах питания, например, серии 142. Сглаживание пульсаций выходного напряжения осуществляет фильтр 12.
Проведено макетирование устройства для цифрового управления импульсным преобразователем на основе микросхем К1108ПВ1(аналого-цифровой преобразователь (АЦП)) и КР531СП1 (цифровой компаратор). На макете опробованы два способа организации у цифрового компаратора выхода «X≥Y». Первый способ - инвертирование сигнала «X<Y» с помощью дополнительно введенного инвертора. Второй способ - использование выхода «X>Y» и обратной связи с указанного выхода на вход «X>Y», при этом входы «X=Y» и «X<Y» подключались к минусовой шине питания. Второй способ позволил обойтись без дополнительного инвертора. На выходе АЦП использовался дополнительный регистр на основе микросхем КР53ИР23 для исследования влияния задержки в канале АЦП. Испытания макета подтвердили работоспособность заявляемого устройства и его практическую ценность.