Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Методы структурно-параметрического синтеза энергетически напряженных сложных функциональных блоков, систем на кристалле

Манжула В. Г.,

1.3 Способы построения функциональных схем интегральных микросхем управления сетевыми ИВЭП

В современной аппаратуре широкое применение находят импульсные стабилизаторы постоянного напряжения, построенные на основе компенсационно-параметрического принципа стабилизации выходного напряжения [24-27]. Они свободны от недостатков, присущих в отдельности параметрическому и компенсационному принципам регулирования. Недостатками параметрического принципа стабилизации являются высокое выходное сопротивление и значительная нестабильность выходного напряжения U_н, обусловленная его перекомпенсацией или недокомпенсацией при изменении входного напряжения. В компенсационных стабилизаторах повышение стабильности выходного напряжения связано с необходимостью увеличения коэффициента усиления в контуре обратной связи, что усложняет схему и снижает запас устойчивости системы.

Рассмотрим компенсационно-параметрический принцип стабилизации выходного напряжения U_н при изменении входного напряжения U_п (рис.1.5) [29]. Данная структура включает в себя: ПЭ - преобразовательный элемент, ШИМ - широтно-импульсный модулятор, ДУ -дифференциальный усилитель, ОС - цепь обратной связи, ИОН - источник опорного напряжения, ЦПК - цепь параметрической компенсации. Компенсационный контур обратной связи такого стабилизатора состоит из элементов ОС, ДУ, ШИМ и ПЭ. Канал параметрической компенсации изменений входного напряжения образован элементами ЦПК, ШИМ и ПЭ.

Проведем анализ структуры компенсационно-параметрического импульсного стабилизатора (КПИС) (рис.1.5), рассматривая ее как квазинепрерывную систему [28]. Коэффициент нестабильности выходного напряжения определяется выражениями:

, (1.24)

где ΔU_н , ΔU_п - изменения входного и выходного напряжений; К_пр -коэффициент прямой передачи напряжения U_п на выход при разомкнутой петле обратной связи через элемент ПЭ (К_пр1) и через элемент ЦПК (К_пр2); Т_U - петлевое усиление в компенсационном контуре; К_ос -коэффициент передачи элемента ОС; К_ду =U_ср /|U_ос -U_оп | - коэффициент передачи элемента ДУ; К_шр=g/U_ср:) - коэффициент передачи ШИМ при l=const, l =t_н/T - относительная длительность интервала накопления энергии t_н в трансформаторе ТР1, l - крутизна пилообразного напряжения ШИМ; K_пэg=U_н/g - коэффициент передачи ПЭ при U_п =const.

.

Очевидно, что снижение коэффициента K_н можно осуществить как увеличением петлевого усиления системы, так и уменьшением суммарного коэффициента прямой передачи. Минимальный коэффициент К_пр можно получить, наиболее точно реализуя условие:

. (1.25)

Выходной сигнал элемента ЦПК целесообразно подавать в такой узел схемы, при котором наилучшим образом можно выполнить условие (1.25). При подключении выхода ЦПК ко входу ДУ (см. пунктир на рис.1.5) соотношение (1.25) примет вид:

.

где К_цпк =l/U_п коэффициент передачи ЦПК; К_пэп=U_н/U_п ~ коэффициент передачи ПЭ при =const; К_{ш l} = g/l - коэффициент передачи ШИМ при U_р =const. Из соотношения (1.26) следует, что полная компенсация в такой структуре неосуществима из-за большой нестабильности коэффициента К_ду . Стабилизация этого коэффициента возможна при охвате ДУ местной ООС, но это снижает результирующее петлевое усиление.

При подключении выхода ЦПК ко входу ШИМ соотношение (1.25) представим в виде:

К_цпк=К_пэп/К_шlК_пэg . (1.27)

В этом случае условие компенсации удается выполнить практически полностью, поскольку в выражении (1.27) коэффициент К_цпк не зависит от разброса параметров ДУ. Таким образом, наиболее приемлемой точкой подключения выхода ЦПК является вход ШИМ.

Определим параметры элемента ЦПК в случае использования в качестве ПЭ однотактного преобразователя с трансформаторной развязкой между входом и выходом (рис.1.3.а). Регулировочная характеристика при m<1 (рис.1.4.а) определяется соотношением:

K=K_трg/(1-g), (1.28)

где К_тр =N_в/N_п - коэффициент передачи трансформатора ТР1.

Аналитическое выражение, описывающее пилообразное напряжение ШИМ, имеет вид:

, (1.29)

Для данной ШИМ параметр g определяется выражением:

g=1/(1+lx), (1.30)

где x=(Т-t_н)/U_р, U_р=U_ср-U_х. В соответствии с выражениями (1.28)-1.30) коэффициенты передачи ПЭ и ШИМ имеют вид:

. (1.31)

Тогда согласно выражению (1.27) получаем:

. (1.32)

Для получения полной компенсации зависимость l=f(U_п) должна иметь вид: . (1.33)

Таким образом, синтез принципиальной схемы элемента ЦПК необходимо производить с учетом зависимости l=f(U_п) (1.33), при выполнении которой достигается практически полная параметрическая компенсация изменений входного напряжения.

Спецификой микроминиатюризации МВЭП в настоящее время является переход от использования многофункциональных микросхем управления к применению специализированных микросхем. Повышение степени их специализации достигается путем увеличения числа связей между функциональными узлами внутри микросхемы; при этом уменьшается количество внешних выводов. Введение дополнительных узлов защиты, обусловленных ее специализацией, повышает функциональную надежность микросхемы управления.

На основе структурной схемы компенсационно-параметрического способа стабилизации (рис.1.5) разработана функциональная схема сетевого импульсного ИВЭП с использованием интегральной микросхемы управления (рис.1.6) [29]. Она включает: ВС, ФС, ДС - выпрямитель, фильтр и делитель выпрямленного напряжения сети; Кл - ключ; ВП, ФП - выпрямитель и фильтр напряжения питания микросхемы; ИМУ - интегральную микросхему управления; ВОС, ФОС - выпрямитель и фильтр напряжения обратной связи; ВН, ФН - выпрямитель и фильтр напряже­ния нагрузки; ИЦ - интегрирующую цепь; трансформатор ТР, имеющий силовую обмотку I, обмотку обратной связи II и нагрузочную обмотку III.

Алгоритм функционирования ШИМ данного МВЭП построен таким образом, чтобы минимизировать потери мощности на ключевом элементе и пульсации выходного напряжения, возникающие из-за конечного времени восстановления обратного сопротивления выпрямителя. Это достигается подключением обмотки I к выпрямленному напряжению сети в тот момент времени, когда энергия, накопленная в обмотке за предыдущий период

.

замкнутого состояния ключа, уже отдана в нагрузку, т.е. ток в обмотке III равен нулю.

Для определения этого состояния используется обмотка II. При этом фиксируется момент времени, когда ее выходное напряжение изменяет свой знак. Элементы ВОС, ФОС, ДОС из импульсного выходного напряжения обмотки III вырабатывают непрерывный сигнал обратной связи, пропорциональный напряжению нагрузки.

Повышенный к.п.д. такого ИВЭП достигается организацией питания микросхемы управления напряжением, получаемым от элементов ВП, ФП путем выпрямления, напряжения обмотки III. К выводу 2 микросхемы подключается элемент ИЦ, определяющий частоту внутреннего генератора ШИМ. С вывода 4 снимается напряжение управления ключом; на вывод 6 подается напряжение, пропорциональное напряжению сети, для осуществления параметрической компенсации.

Проектирование структурной схемы микросхемы управления сетевым ИВЭП необходимо начинать с дифференциации отдельных функциональных схем. Каждая из этих схем соответствует совокупности выполняемых функций в одном из основных режимов функционирования.

Таким образом, достигается наиболее полное соответствие функциональных схем разработанному алгоритму функционирования наряду с простотой и ясностью процесса проектирования. На этапе интеграции из множества функциональных схем синтезируется результирующая функциональная схема. При этом элементы, выполняющие аналогичные функции в разных подсхемах, объединяются в виде одного узла. Тем самым устраняется функциональная избыточность конечной схемы.

Рассмотрим основные выполняемые функции микросхемы управления для предложенного алгоритма функционирования. Во-первых, это функции преобразования входного напряжения и стабилизации выходного напряжения при изменении, как сетевого напряжения, так и тока нагрузки. Во-вторых - это функция обеспечения плавного запуска ИВЭП с целью предотвращения перерегулирования системы при включении ИВЭП. В-третьих, функции защиты ИВЭП от выхода из строя при таких критических воздействиях, как: повышение выше допустимого или снижения ниже допустимого напряжения сети и напряжения питания микросхемы; недопустимое повышение выходного напряжения; перегрузка по току или короткое замыкание нагрузки; перегрев микросхемы; насыщение сердечника трансформатора.

На основании перечисленных функций можно выделить три основ­ных режима работы микросхемы: нормальный режим, режим запуска и режим перегрузки. Для работы в каждом из этих режимов разработаны функциональные схемы ИМУ.

Рассмотрим функциональную схему ИМУ, предназначенную для работы в нормальном режиме (рис.1.7). Она включает в себя: УИТ - управляемый источник тока, ГПН - генератор пилообразного напряжения, УЗСР - узел задания статического режима, ВУ - выходной усилитель, ФСОС - формирователь сигнала обратной связи, К - компаратор, ЛБ - логический блок, ДН - детектор нуля, ГЗИ - генератор запускающего импульса. Для организации однотактного преобразования напряжения U_п элемент ЛБ может включать в себя: ЖМ - ждущий мультивибратор; DD1, DD2 - RS триггеры с приоритетным состоянием "сброс"; DD3 -элемент ЗИЛИ-НЕ.

При необходимости реализации двухтактного преобразования элемент ЛБ может быть выполнен по схеме, представленной на рис.1.8. Такой ЛБ дополнительно включает в себя счетный Т-триггер DD4 и логические элементы 2И-НЕ DD5, DD6. Инвертирующий усилитель ВУ имеет два входа, при этом его выходы можно объединять при необходимости реализации однотактного преобразования.

Для работы ИМС в режиме запуска разработана функциональная схема (рис.1.9) включающая в себя: операционные усилители DA1, DA2; ограничитель О и резисторы обратной связи R1, R2. На элементах R1, R2, DA2 собран инвертирующий решающий усилитель. Элемент УЗСР состоит

.

из параметрического стабилизатора СТ, источника опорных напряжений ИОН, формирователя гистерезиса ФГ, источника тока ИТ.

Зависимость выходного напряжения ФСОС от входного напряжения в показана на рис.1.10. Алгоритм функционирования такой схемы, основанный на изменении знака обратной связи (при переходе величины U_з ), позволяет осуществить режим защиты от перегрузки и короткого замыкания в нагрузке.

Зависимость выходного напряжения ИОН от напряжения U_пм показана на рис.1.11. Гистерезисная характеристика передачи реализует режим ждущего повторного кратковременного запуска, характеризующийся наличием паузы между повторными запусками ИВЭП.

Комплексную защиту импульсного ИВЭП осуществляет функциональная схема ИМУ, представленная на рис. 1.12. Блок защиты (БЗ) такой микросхемы включает в себя: ЗСС, ЗПС - защиты от снижения и превышения напряжения сети; ЗСП, ЗПП - защита от снижения и превышения напряжения питания микросхемы; ТЗ - тепловая защита; ЗНС - защита от насыщения сердечника трансформатора.

.

.

.

.

Варианты структурных схем для построения элемента ЗНС, представлены на рис.1.13.а,в,д. В первом случае (рис.1.13.а) элемент DD1 сравнивает длительности рабочего импульса и эталонного, получаемого от элемента ЖМ. Его длительность варьируется при изменении напряжения U_дн. Во втором случае компаратор К сравнивает эталонное напряжение с выходным напряжением ГПН. В третьем случае компаратор К сравнивает напряжения U_гпн и U_дн. Для структуры на рис. 1.12 наиболее приемлемым является второй вариант построения ЗНС. В этом случае нет необходимости подключения дополнительных времязадающих элементов, так как можно использовать ГПН основной структуры. Временные диаграммы, поясняющие работу указанных структур, приведены на рис.1.13-6,г,е.

В целом, из предложенных функциональных схем микросхемы управления, работающих в таких режимах, как нормальный режим, режим запуска и режим перегрузки, синтезирована общая функциональ­ная схема микросхемы управления импульсным ИВЭП с необходимым набором выполняемых функций. Функциональный состав, электрическая схема и принцип работы этой схемы изложен в главе 4.