Двухканальный ШИМ 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 (вторичный источник питания) применяется в качестве устройства, формирующего импульсные сигналы, длительность которых зависит как от входного (Uвх.) так и от выходного (Uвых) напряжений.
Известен двухканальный ШИМ (см. фиг. 1) с двойным регулирующим воздействием на наклон пилообразного напряжения (в дальнейшем сокращенно пилы), с фиксацией информации о переключении порогового элемента на R-S триггере, приведенный в изделии: Модуль ИВЭП К275.010СФ. ШУКР.436434.004.
Двухканальный ШИМ содержит собственно ШИМ, выполненный на элементах, обозначенных на фиг. 1 цифрами 1-9 и распределитель импульсов на два канала, выполненный на элементах, обозначенных цифрами 10-12. Недостаток такой схемы ШИМ в том, что распределитель импульсов в этой схеме, выполненный на счетном триггере 10 и двух вентилях 2ИЛИ-НЕ 11 и 12, выполняющих функцию двухканального дешифратора, работает от импульсов изменяемой длительности, поступающих с выхода собственно ШИМ (элемент 2И-НЕ 9) на счетный вход «С» счетного триггера 10. При работе ВИП в режиме холостого хода и при максимальном входном напряжении на вход «С» счетного триггера 10 с выхода элемента 9 собственно ШИМ могут поступать импульсы, длительность которых меньше, чем длительность импульса tги, формируемого задающим генератором. В результате триггер 10 может не сработать, по причине слишком короткого импульса, что приведет к отказу работоспособности схемы ВИП. Наиболее близким по технической сущности является схема двухканального ШИМ, приведенная в заявке, на которую получено положительное решение о выдаче патента на полезную модель (заявка №2016144213/08 (070875)от 10.11.2016).
Схема ШИМ из заявки приведена на фиг. 2. ШИМ включает в себя времязадающую цепь, состоящую из резистора 1и конденсатора 2, электронный ключ 3 с тремя выводами: управляющий (У), «общий» и «выход», входной вентиль 2И-НЕ 4, фототранзистор обратной связи 5, инвертор 6, триггер R-S типа на двух вентилях 2И-НЕ 7 и 8, 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, к эмиттеру фототранзистора 5, (коллектор которого подсоединен к клемме плюс внутреннего источника питания Евн.пит.) и к входу инвертора 6, выход которого подключен к входу S триггера R-S типа, а его R вход подсоединен к первому входу входного вентиля 2И-НЕ 4, второй вход которого подключен к выходу вентиля 2И-НЕ8 триггера R-S типа, выход входного вентиля 2И-НЕ 4 подсоединен к управляющему входу электронного ключа 3, при этом вторая обкладка конденсатора 2 и вывод «общий» электронного ключа 3 объединены и подсоединена к шине «общая» входного источника питания. Кроме того в состав схемы ШИМ прототипа также входят: счетный триггер 9, выполненный на Д триггере, срабатывающим по фронту спада входного сигнала (фронт 10) и два канальных вентиля 3И, 10 и 11. При этом тактовый вход «С» счетного триггера 9 подключен к первому входу входного вентиля 2И-НЕ4 и к первым входам канальных вентилей 3И, 10и 11, вторые входы которых подключены соответственно к прямому и инверсному выходам счетного триггера 9, а третьи входы канальных вентилей 3И, 10 и 11 подсоединены к выходу вентиля 2И-НЕ 8 R-S триггера, при этом первый вход входного двухвходового вентиля 2И - НЕ 4 является входом двухканального ШИМ.
Как видно из фиг. 2 схема работает от коротких (узких) по длительности импульсов tги с уровнем лог. 0. постоянной длительности.
Рассмотрим работу схемы прототипа, с того момента, когда на вход вентиля 2И-НЕ 4 подан импульсный сигнал с уровнем лог. 0 от генератора импульсов. В этом случае будет иметь место, следующее распределение логических уровней на выходах вентилей 2И-НЕ схемы двухканального ШИМ.
На выходе вентиля 2И-НЕ 4 сформируется уровень лог. 1, который приведет к отпиранию электронного ключа 3, и начнется разряд конденсатора 2 через малое сопротивление открытого ключа 3. Одновременно сигнал от генератора импульсов поступит на R вход R-S триггера на вентилях 2И-НЕ 7, 8, и установит его в состояние лог. 1, т.е. на выходе вентиля 2И-НЕ 8 установится уровень лог. 1, а на выходе вентиля 2И-НЕ 7 уровень лог. 0. Уровень лог. 1, поступая на входы канальных вентилей 3И 10 и 11, сформирует на их выходах уровни лог. 0. То есть в момент действия импульса, поступающего от генератора, будет осуществлен надежный запрет передачи информации с выходов счетного триггера 9 на затворы силовых ключей МОП-транзисторов преобразователя ВИП, что очень важно. Это так называемая гарантированная пауза (просечка) или «мертвое» время в иностранной литературе. Одновременно сигнал с уровнем лог. 1 с выхода вентиля 2И-НЕ 8 поступает на второй вход вентиля 2И-НЕ 4, но он в данный момент времени не влияет на его работу. Рассмотрим процесс работы схемы после окончания импульса от генератора, т.е. когда на входе вентиля 2И-НЕ 4 присутствует уровень лог. 1. В этом случае на выходе вентиля 2И-НЕ 4 сформируется уровень лог. 0, электронный ключ 3 закроется, и начнется заряд конденсатора 2 через сопротивление 1 практически постоянным током. При этом на выходе вентиля 8 будет действовать уровень лог. 1, и на выходе К1или К2, т.е. только на одном из двух канальных вентилей 3И 10 или 11, сформируется уровень лог. 1, который и поступит на вход затвора МОП-транзистора преобразователя ВИП. Когда напряжение на конденсаторе 2 достигнет величины порога переключения инвертора 6, на его выходе сформируется уровень лог. 0, и R-S триггер на вентилях 2И-НЕ 7, 8 установится в инверсное состояние, при котором на выходе вентиля 2И-НЕ 7 будет действовать уровень лог. 1, а на выходе вентиля 2И-НЕ 8 - уровень лог. 0. Последний, поступая на входы канальных вентилей 3И 10 и 11, сформируют на их выходах К1 и К2 уровни лог. 0, завершая тем самым цикл получения рабочего импульса. При этом сигнал с уровнем лог. 0 с выхода вентиля 2И-НЕ 8 сформирует на выходе вентиля 4 сигнал с уровнем лог. 1, который откроет электронный ключ 3, и разрешит процесс разряда конденсатора 2 через малое сопротивление открытого ключа 3. То есть напряжение на конденсаторе 1 никогда не превысит напряжения равного напряжению порога переключения инвертора 6.
Интересно отметить, что в этой схеме двухканального ШИМ не наблюдается в принципе присутствие узких импульсов ни на одном из входов, как самого счетного триггера 9, так и на входах вентилей ЗИ,10 и 11, что исключительно важно. Действительно, самый узкий импульс на входе счетного триггера 9 -это импульс с длительностью равной длительности импульса tги. А на входах вентилей ЗИ, 10 и 11 самый короткий импульс (с уровнем лог. 1) не может иметь длительность меньше, чем длительность tги.
И то чисто теоретически, поскольку практически длительность импульса с уровнем лог. 1 здесь всегда обязана быть больше длительности tги. Это говорит о том, что в этой схеме коэффициент заполнения Кз (Кз=tиш/(Tги/2), где tиш длительность импульса на выходе любого из элементов 3И, 10 или 11, формируемого схемой ШИМ, Тги - период следования импульсов tги, формируемых генератором импульсов) может меняться практически от нуля до максимального значения. Пусть схема работает при максимальном входном напряжении и в режиме холостого хода. В этом случае, учетом тока через фототранзистор 4 и тока через резистор 1, конденсатор 2 будет заряжаться наиболее быстро. И на выходе вентиля 2И-НЕ8 сформируется сигнал с уровнем лог. 1 длительностью tги+Δt, где Δt<tги - добавок к импульсу tги за счет быстрого заряда конденсатора 2. Но величина добавки At может составлять наносекунды и поэтому вентили ЗИ, 10 и 11 их могут не пропустить. Чтобы сигнал прошел через вентиль, его длительность должна быть больше величины, определяемой средней задержкой распространения. Но такие короткие по длительности импульсы, практически не смогут оказать какого либо воздействия на затворы силовых МОП-транзисторов, т.е. не смогут установить их во включенное состояние (вместо обозначения МОП-транзистор часто употребляют МДП-транзистор).
Итак, поскольку в схеме ШИМ, приведенной на фиг. 2 счетный триггер 9 работает от импульсов с уровнем лог. 0 постоянной длительности равной tги, то здесь исключается вероятность его сбоя по причине не срабатывания от короткого импульса, Обращаясь к схеме прототипа, показанной на фиг. 2, можно видеть, что цифровая часть этой схемы выполнена на логических элементах не одного функционального типа, т.е. она содержит в своем составе элементы И-НЕ и элементы И. Это требует от логической серии более широкого функционального ряда, что может привести к усложнению схемы ШИМ в случае отсутствия в составе выбранной серии интегральных схем(ИС) элементов 3И.
Поэтому целью полезной модели являются, упрощение схемы ШИМ прототипа за счет выполнения ее цифровой части на однотипных элементах, уменьшения числа логических элементов (вентилей) и, как следствие, повышение надежности и снижение потребляемой мощности.
Поставленная цель достигается тем, что в схему двухканального ШИМ, 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, введены: R-S триггер на двух элементах 2ИЛИ-НЕ 5 и 6, два канальных вентиля 3ИЛИ-НЕ, 8 и 9, электронный ключ 10, при этом первая обкладка конденсатора 2 подсоединена к первому входу элемента 2ИЛИ-НЕ 6 R-S триггера, а тактовый вход «С» счетного триггера 7, срабатывающего по фронту нарастания входного сигнала (фронт 01), подключен к управляющему входу «У»электронного ключа 3, к третьим входам вентилей 3ИЛИ-НЕ 8 и 9 и к первому входу элемента 2ИЛИ-НЕ 5 R-S триггера, при этом выход элемента 2ИЛИ-НЕ 5 R-S триггера подсоединен к первым входам вентилей 3ИЛИ-НЕ 8, 9 и к управляющему входу «У»электронного ключа 10, вторые входы элементов 3ИЛИ-НЕ 8 и 9 подключены соответственно к прямому и инверсному выходам счетного тригтера 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 приведена на фиг. З.и работает следующим образом.
Поступающий на управляющий вход (вход «У») ключа 3 импульс tги (см. фиг. 4. -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 3ИЛИ-НЕ 8 и 9. В результате, по фронту входного импульса (момент t0 на фиг. 4) счетный триггер 7 перейдет в инверсное состояние, R-S триггер в состояние лог. 0 (на выходе элемента 2ИЛИ-НЕ 5 уровень лог. 0, а на выходе элемента 2ИЛИ-НЕ 6 уровень лог. 1), а на выходах элементов ЗИЛИ-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 ЗИЛИ-НЕ 8 и 9. Эта блокировка будет действовать в течение всей длительности импульса tги. После окончания действия импульса tги (момент t1 Ha фиг. 4) на выходе вентиля 2ИЛИ-НЕ 5 останется действовать сигнал с уровнем лог. 0, а на выходе вентиля 2ИЛИ-НЕ 6 - уровень лог. 1. В итоге, только на выходе одного из двух элементов 3ИЛИ-НЕ 8 (Кн1)или 3ИЛИ-НЕ 9 (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. 4) равного порогу срабатывания элемента 2ИЛИ-НЕ 6 (Uc2=Uпор.элемента 2ИЛИ-НЕ 6) R-S триггер на элементах 2ИЛИ-НЕ 5 и 6 установится в состояние лог. 0 (на выходе элемента 2ИЛИ-НЕ 6 уровень лог. 0, а на выходе элемента 2ИЛИ-НЕ 5 - уровень лог. 1), и формирование длительности импульса ШИМ (tи.ш) завершится. При этом сигнал с уровнем лог. 1 с выхода вентиля 2ИЛИ-НЕ5поступит на управляющий вход «У» электронного ключа 10, и начнется разряд конденсатора 2 через малое сопротивление открытого электронного ключа 10. Другими словами, это означает, что процесс разряда конденсатора 2 начнется до прихода следующего импульса tги, т.е. также как и в схеме ШИМ прототипа. Итак, схема предлагаемого ШИМ полностью выполняет функции прототипа, так как ее счетный триггер 7 управляется сигналами постоянной длительности равной длительности, формируемой генератором т.е. длительностью tги. Осталось сравнить их по экономичности т.е. по числу логических элементов или, что то же самое по числу транзисторов в случае реализации ШИМ в виде кристалла при реализации последнего на комплементарных МОП-транзисторах проводиостью 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 2ИЛИ-НЕ или элемента 2И-НЕ требуется 4 МОП транзистора (два транзистора проводимостью п-типа и два транзистора проводимостью р-типа).
Сравнение схемы ШИМ прототипа, выполненной на элементах И-НЕ с предлагаемой схемой ШИМ, приведенной на фиг. 3 по числу элементов показывает, что последняя из этих двух схем реализуется на меньшем числе элементов с одинаковым числом входов или, что в данном случае то же самое, на меньшем числе транзисторов. То есть, она более экономична по числу транзисторов и, следовательно, потребляет меньшую мощность. В частности цепь разряда конденсатора 2 в схеме ШИМ, приведенной на фиг. 3,реализуется на двух транзисторах (имеется в виду, что в качестве электронных ключей 3 и 10 используются полевые МОП-транзисторы проводимостью п-типа), тогда как в схеме ШИМ прототипа, приведенной на фиг. 2 для его реализации требуется 5 транзисторов (два транзистора проводимостью р -типа и 2 транзистора проводимостью п-типа идут на построение элемента 2И-НЕ и один транзистор проводимостью п-типа идет на построение электронного ключа). Более того, в предлагаемой схеме ШИМ, реализованной на элементах ИЛИ-НЕ отсутствует инвертор, а это еще минус два транзистора в ее пользу. Кроме того, цифровая часть предлагаемой схемы ШИМ, полностью реализована на однотипных элементах, а именно, только на элементах ИЛИ-НЕ, тогда как в схеме ШИМ прототипа используются элементы И-НЕ и элементы И. А это может дать дополнительный выигрыш в числе транзисторов при его реализации в виде кристалла. Другими словами, предлагаемая схема ШИМ, приведенная на фиг. 3, более экономична по числу элементов (вентилей, транзисторов). Следовательно, она 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.