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.,

4.2. Микросхема управления сетевым импульсным ИВЭП

На основе разработанных методов схемотехнического построения, а также при последовательном использовании методов дифференциации и интеграции, спроектирована микросхема управления сетевым импульсным ИВЭП.

Функциональная схема такой микросхемы, полученная путем интеграции функциональных подсхем для различных режимов работы (рис.1.7, 1.9, 1.12), представлена на рис.4.3. На основе этой микросхемы может быть реализован однотактный стабилизированный преобразователь, питаемый от выпрямленного напряжения сети. Он имеет многоканальный выход, защищенный при превышении и снижении напряжения питания микросхемы, снижении напряжения сети, коротком замыканий и перегрузки в цепях нагрузки. Данная микросхема осуществляет режимы плавного запуска, а также режим ждущего повторно­го кратковременного запуска, необходимого в режиме перегрузки. Алгоритм функционирования ШИМ этой микросхемы позволяет избежать насыщения сердечника трансформатора, за счет обеспечения режима полной передачи накопляемой энергии в нагрузку.

На основе разработанной микросхемы можно построить импульсные малогабаритные ИВЭП с улучшенными конструктивными, энергетическими и надежностными характеристиками для работы в источниках питания высококачественной телевизионной аппаратуры, видемагнитофонах, а также звуковоспроизводящей и записывающей аппаратуры.

.

Основная схема включения такой микросхемы приведена на рис.4.4. Элементам функциональной схемы ИВЭП (рис.1.6) соответствуют следующие элементы схемы включения: ВС - VD4-VD7; ФС - С1; ИЦ - С2, R1; ДС - R2,R3; Кл - VT1.R5; ВП - VD3; ФП - СЗ; BOС - VD2; ФОС - С7; ДОС - R8. R9; ВН - VD8-VD10; ФН - С8-С10; Н - Rнl-RнЗ. Демпфирующая цепь VD1, R4, С5 снижает выброс напряжения при размы­кании ключа.

Рассмотрим работу ИМУ в режиме стабилизации выходного напря­жения U_н . Напряжение пилообразной формы U_с на выходе ГПН в момент времени t₁ (рис.4.5.а) сравнивается с выходным напряжением ограничителя (U_ос), и на выходе компаратора появляется сигнал U_ст высокого уровня. Напряжение U_ст (рис.4.5.б) переводит выход ждущего мультивибратора (рис.4.5.в) в состояние логической "1" . При этом на входе ВУ (рис.4.5.и) появляется сигнал низкого уровня, который размыкает ключ и в обмотке I (рис.4.5.к) прекращается нарастание тока. Одновременно, в обмотке III появляется ток (см. пунктир рис.4.5.к), обусловленный энергией, накопленной в обмотке I. На выходе ДН появляется сигнал логической "1" (рис.4.5.д). Однако далее на выходе ДН появляются ложные импульсы перехода через ноль, обусловленные свободными колебаниями напряжения в обмотке I (рис.4.5.г) при размыкании ключа. Для их нейтрализации напряжение логической "1" на выходе ждущего мультивибратора удерживается до прекращения колебаний (рис.4.5.в).

В момент времени t вся запасенная энергия из обмотки I передается в нагрузку, и ток в обмотке III становится равным нулю. Напряжение на выходе ДН имеет низкий уровень (рис.4.5.д), откроется Кл, и на выходе ГПН начнет увеличиваться напряжение U_c (рис.4.5.а). Далее весь цикл повторится.

Рабочая частота ИВЭП (рис.4.4) определяется соотношением:

f_p=ω₁/L₁I_к.max(ω₁/U_п+ω₃/U_н), (4.1)

где ω₁, ω₃„ - количество витков в обмотках I и III соответственно, L₁ - индуктивность обмотки I, I_к.max - максимальный ток ключа.

.

.

Мощность, передаваемую в нагрузку, можно найти из выражения:

P=I_к.maxω₁/2(ω₁/U_п+ω₃/U_н). (4.2)

Постоянный ток нагрузки I_н определяется соотношением:

I_н=I_к._max/2(U_н/U_п+ω₃/ω₁). (4.3)

Рассмотрим функционирование ИМУ при изменении напряжения U_п и тока I_н. Например, при повышении напряжения U_п выходной ток УИТ, питающий ГПН, также увеличится. Вследствие этого возрастет крутизна напряжения U_с (рис.4.6.в). Следовательно, уменьшится величина тока I_к._max (рис.4.6.г), а мощность, отдаваемая в нагрузку не изменится (4.2). Аналогично, при уменьшении напряжения U_п (рис.4.6.д) ток I_к._max увеличится (рис.4.6.е), а мощность останется прежней. При изменении тока нагрузки I_н изменяется величина тока I_к._max (4-3). Это осуществляется за счет изменения напряжения U_ос контуром отрицательной обратной связи (обмотка III, обмотка, ВСОС, ФСОС, К, ЛБ, ВУ, Кл, Тр) (рис.1.7). Действительно, при увеличении тока I_н (рис.4.6.з) напряжение U_ос увеличивается (рис.4.6.ж), соответственно возрастает накопленнная энергия в обмотке I; при уменьшении тока I_н напряжение U_ос уменьшается (рис.4.6.и), и энергия в обмотке I снижается.

Рассмотрим работу ИМУ в режиме запуска. При подаче на вход ИВЭП (рис.4.4) напряжения сети появляются напряжения U_п , U_дс и U_с (рис.4.7.б,ж). С момента времени t₁ заряжается емкость ФП и напря­жение U_пм возрастает, когда оно станет равным значению U_пм2, включится ИОН, и на его выходе появятся напряжения U₀ , U₁ , U₂, U₃ .

Напряжение U_с уменьшится до величины U₂ и на выходе ГЗМ появится импульс запуска, обеспечивающий переход ИВЭП в автоколебательный режим. Заряд емкости С4 обеспечивает плавное нарастание напряжения U_ос , тем самым осуществляя плавный запуск всего ИВЭП. Переход в нормальный режим работы происходит в момент времени t₆ изменения знака обратной связи (рис.4.7.е).

.

.

При перегрузке или коротком замыкании в нагрузке напряжения U_пм и U_р снижаются, при этом обратная связь становится положительной, что приводит к уменьшению энергии, запасенной в трансформаторе и снижению напряжения на нагрузке. При уменьшении напряжения U_пм ниже величины U_пм1 (рис.4.7.а), отключается ИОН, и ИВЭП перестает функционировать. Начинается новый процесс запуска. Так как основное питание микросхемы осуществляется от обмотки II, а энер­гии, накопленной в емкости С2, достаточно только для запуска, то в случае долговременной перегрузки ИВЭП функционирует в режиме ждущего повторно-кратковременного запуска.

Система защиты ИМУ работает следующим образом (рис.4.8). При срабатывании какого-либо узла защиты, формируется сигнал высокого уровня и происходит остановка нормального режима работы ИМУ. Элемент ЗСС выполняет функции триггера и сумматора сигналов от других узлов защиты БЗ. Емкость ФП разряжается током потребления ИМУ. При снижении напряжения U_пм ниже величины U_пм1 ИВЭП отключается и процесс запуска повторяется. Рабочим диапазоном питающего напряжения ИВЭП (рис.4.8.и) является разность напряжений U_п.min - U_п.max определяемая порогами срабатывания защит ЗСС и ЗПС; диапазон напряжения питания микросхемы определяется аналогично (рис.4.8.ж). При перегреве кристалла ИМУ выше температуры Т_maxтепловая защита отключит ИВЭП.

Принципиальная электрическая схема разработанной микросхемы представлена на рис.П.1. Рассмотрим ее состав в соответствии с фунциональной схемой (рис.4.3). Управляемый источник тока выполнен на элементах VT15-VT22,VT24-VT28,VD1,VD2,R4-R6; величина его выходного тока зависит от напряжения на выводе 3. УИТ питает интегрирующую цепь и определяет частоту преобразования. Максимальное напряжение на выводе 3 микросхемы ограничено суммой напряжения пробоя стабилитрона VD1 и прямым падением напряжения на переходе эмиттер-база транзистора VT15, а на выводе 2 - стабилитрона VD2 и транзистора VT28.

Формирователь сигнала обратной связи состоит из элементов VT1-VT3, VT5-VT14, VT104-VT111, VT113, VT115, VT117, VT118, VT120, VT121, R1-R3, R57. R58, токозадающие элементы VT4,VT112,VТ114, VT116, VТ119,R60 запитаны от источника опорного тока VT70, VT79, VT80-VT82, R37-R42. Работа данного элемента подробно изложена в главе 1.

Компаратор, состоящий из элементов VT122-VT129, R61, R62, имеет повышенное быстродействие, поскольку цепь VT126, R62 предотвращения насыщения транзистора VT127. Генератор запускающего импульса включает в себя элементы VT129-VT135, R63. Емкость перехода коллектор-база транзистора VT132 компенсирует аналогичную емкость транзистора VT130.

Особенности функционирования узла задания статического режима, включающего в себя элементы VT29-VT54, VT63-VT65, R8-R21, R24, описаны в главе 1. Делитель напряжения R29-R36 формирует опорные напряжения различных уровней, поступающие на функциональные узлы микросхемы.

Узлы защиты от снижения и превышения напряжения питания микросхемы реализованы на элементах VТ55-VT58, VT59-VT62, VT66, VT67, R22, R23, R94, R25-R28. Тепловая защита, состоящая из элементов VT68, R29, основана на смещении вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода при нагреве в сторону меньших значений. Узел защиты от снижения напряжения сети включает в себя элементы VT136-VT151, R64-R66. Гистерезисная характеристика передачи данного узла реализована путем введения положительной обратной связи по цепи VT137-VT140, VT23, R64, R65, R7. Данный узел суммирует сигналы перегрузки, поступающие от ранее перечисленных узлов защиты.

Детектор нуля реализован на элементах VT69, VT71-VT78, VT92, VT93, R46-R48, C2 и представляет собой усилитель без ОС, работающий с уровнями входного сигнала близкими к нулю. Выходной усилитель, состоящий из элементов VT169-VT185, R87-R93, имеет двухтактный выходной каскад, работающий в режиме В. Элементы VT173, R89 предотвращают насыщение транзистора VT174 при вытекающем направлении тока нагрузки. Генератор пилообразного напряжения реализован на основе решающего усилителя с коммутируемой цепью обратной связи (VT85-VT91, R43-R45). При замкнутой цепи обратной связи (VT86, C1) напряжение на интегрирующей цепи равно напряжению на базе транзистора VT90. При размыкании ее ключей VT85. R43 напряжение на выводе 2 линейно возрастает. Управляя ключом, генерируются импульсы пилообразной формы.

Ждущий мультивибратор реализован на элементах VT152-VT162, R67-R77 и вырабатывает сигнал порядка 4 мкС при положительном перепаде входного напряжения. Логические элементы DD1-DD3 выполнены на компонентах VTl63-VTl68, VT94-VT103, R78-R85, R50-56. Резисторно-транзисторная логика (РТЛ), использованная в данной микросхеме, имеет предельную простоту, малое токопотребление, небольшой логический перепад (за счет этого повышается быстродействие). К тому же РТЛ-элементы занимают небольшую площадь на кристалле и в них отсутствуют броски тока при переключении. Логика питается стабилизированным напряжением от элемента УЗСР.

Разработанная микросхема размещена в 8-выводном пластмассовом корпусе полу-DIP типа 2101.8-1, и для ее изготовления использована стандартная биполярная технология.