Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
Манжула В. Г.,
ВВЕДЕНИЕ
Практика создания радиоэлектронной аппаратуры только на унифицированных изделиях достигла предела своих возможностей из-за резкого увеличения числа элементов, роста трудоемкости, возрастания сроков проектирования, структурной и функциональной сложности, снижения надежности. Последние достижения микроэлектроники привели к широкому применению специализированных интегральных микросхем. Они входят в состав разнообразных сложных функциональных блоков и узлов разрабатываемых систем.
Микроминиатюризация источников вторичного электропитания (ИВЭП) привела к созданию таких классов специализированных микросхем, как интегральные стабилизаторы постоянного напряжения [90-92] микросхемы управления импульсными ИВЭП. Задачи повышения надежности и снижения потерь в импульсных ИВЭП в настоящее время решаются путем децентрализации питания РЭА и исключения промежуточного преобразования напряжения сети (например, в силовых низкочастотных трансформаторах). Первый путь предусматривает размещение импульсного ИВЭП на каждом сложном функциональном блоке или узле РЭА. Второй путь включает в себя создание ИВЭП, непосредственно преобразующих напряжение сети в стабилизированное постоянное напряжение, питающее нагрузку. Решение этих задач возможно при использовании специализированных микросхем управления сетевыми импульсными ИВЭП.
Компенсационно-параметрический принцип стабилизации выходного напряжения используется при проектировании как непрерывных, так и импульсных ИВЭП. Однако в отечественной и зарубежной литературе недостаточно внимания уделено проблеме проектирования микросхем управления сетевыми ИВЭП на основе данного принципа стабилизации [1-7,15-21,22-27]. К особенностям построения таких устройств можно отнести необходимость получения гальванической развязки между напряжением сети и выходными клеммами.
Наиболее энергонапряженными элементами устройств управления большими мощностями являются силовые элементы, поэтому для получения необходимой надежности устройств и предотвращения выхода из строя силовых элементов в РЭА предусмотрены узлы защиты. Широкий набор дестабилизирующих факторов превращает систему защиты в целый комплекс узлов. Для обеспечения адекватной защиты необходимо, чтобы датчики перегрузок располагались внутри мощного элемента. Совокупность этих требований, наряду с условиями микроминиатюризации, можно обеспечить путем создания специализированных мощных аналоговых интегральных элементов, интегрирующих на одном кристалле силовой элемент и систему комплексной защиты.
Попытки создания интегральной схемы эквивалента мощного транзистора [35], только, на основе совмещения мощного транзистора, токовой защиты и защиты по мощности не имели большого успеха. Улучшенные результаты можно получить путем повышения числа защитных функций элемента наряду с обеспечением наиболее благоприятных условий функционирования мощных транзисторов.
Питание РЭА от автономных источников электроэнергии с ограниченным ресурсом выдвигает требование снижения потребляемой мощности при работе в дежурном режиме. В литературе [52,73,74,77,81,88] описаны микромощные ОУ и регулируемые ОУ, ток потребления которых можно устанавливать путем варьирования величины внешних элементов. Однако величина максимального выходного тока таких ОУ очень низка и неизменна. Создание микросхемы мощного операционного усилителя с автоматически перестраиваемым током потребления и максимальным выходным током позволяет повысить энергетические характеристики разрабатываемых устройств. К тому же такой усилитель позволит заменить целый ряд ОУ разной мощности.
В работе предполагается найти решения для следующих основных задач:
1) разработать метод функционального построения микросхемы управления сетевого импульсного МВЭП на основе компенсационно-параметрического принципа стабилизации;
2) исследовать основные аварийные режимы силовых устройств и разработать на этой основе методы построения мощных аналоговых интегральных элементов с системой комплексной защиты;
3) разработать метод функционального построения перестраиваемых ОУ и способы схемотехнической реализации функциональных узлов микросхем такого типа;
4) разработать методы проектирования функционально и схемотехнически интегрированных узлов интегральных микросхем.
В теоретических частях работы использовались методы усреднения пространства состояний, регуляризации и электротепловых аналогий.
Экспериментальные исследования выполнены на лабораторных макетах и опытных образцах микросхем.
В первой главе рассмотрены методы построения микросхем управления сетевыми импульсными ИВЭП на основе компенсационно-параметрического принципа стабилизации. Приведены рекомендации по выбору вида ШИМ, способа стабилизации и структуры построения сетевого ИВЭП. Проведен анализ энергетических характеристик преобразовательного элемента. Разработаны функциональные схемы интегральной микросхемы управления (ИМУ) для различных режимов работы. На основе принципа схемотехнической интеграции предложены схемотехнические реализации основных функциональных узлов ММУ.
Во второй главе рассмотрены методы построения мощных аналоговых интегральных элементов с системой комплексной защиты. Разработаны функциональный и схемотехнические варианты ее реализации. Предложены методы построения быстродействующих систем защиты, повышающих функциональную надежность устройства и уровень мощности, отдаваемой в нагрузку. Разработан схемотехнический вариант реализации таких систем.
В третьей главе рассматриваются методы построения мощных перестраиваемых операционных усилителей. Каждый из этих усилителей функционально интегрирует в себе ряд ОУ разной мощности. Это достигается путем многоступенчатого переключения статического режима ОУ. Рассматриваются функциональные и принципиальные схемы переключателей режима. Рассмотрены входные и согласующие каскады таких ОУ. Предлагаются схемотехнические способы построения выходных каскадов, основанных на работе мощных элементов в режиме супер-А.
В четвертой главе приведены схемотехнические реализации специализированных интегральных микросхем мощного операционного усилителя и микросхемы управления сетевого импульсного МВЭП на основе разработанных автором методов их построения. Представлены электрические принципиальные схемы.