Способ многоканальной асинхронной широтно-импульсной модуляции и устройство для его реализации Российский патент 2020 года по МПК H03F3/217 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в ключевых усилителях низкой частоты и в ключевых регуляторах напряжения, выполненных на ряде каналов ключевого усиления.

Применение методов ключевого преобразования параметров потока электроэнергии с использованием широтно-импульсной модуляции (далее по тексту - ШИМ) является приоритетным направлением достижения высокой энергетической эффективности устройств силовой электроники различного назначения. Особую значимость ключевые усилители мощности (КУМ) с синхронной (ШИМ) и асинхронной (адаптивной) (АШИМ) широтно-импульсной модуляции получили в генераторах переменного тока и преобразователях постоянного напряжения [1, 2], обеспечивающих требования широкополосности и динамического регулирования параметров выходных сигналов. При этом в ряде практических случаев, получение требуемого качества сигналов и диапазона регулирования напряжения связано с использованием отрицательной обратной связи (ОС) для компенсации нелинейных искажений нестабильности напряжения, обусловленных параметрами ключевых элементов, изменениями нагрузки и напряжения электропитания.

Следует отметить, что глубина ОС в КУМ с ШИМ ограничена условиями устойчивой работы и, как правило, не превышает 10-16 дБ. В результате для использования компенсационных методов более предпочтительными оказывается КУМ с АШИМ. При асинхронной модуляции длительности и частоты следования импульсов обеспечивает принцип автоматического регулирования и компенсации дестабилизирующих и искажающих факторов с глубиной до 30-40 дБ [2, 3].

Такая глубина обратной связи реализуется посредством формирования модулированного импульсного сигнала по результатам сравнения сигнала ошибки с установленными границами изменения, заданными гистерезисом Δ релейного элемента. При выделении сигнала ошибки как разности входного сигнала и интегрального значения импульсного сигнала обратной связи, отклонение низкочастотной составляющей выходного импульсного напряжения не превышает относительной величины амплитудного гистерезиса. Минимизация амплитуды сигнала ошибки может достигаться уменьшением гистерезиса Δ, что в свою очередь связано с увеличением частоты переключений и приводит к возрастанию динамических потерь энергии на перезаряд собственных емкостей ключевых элементов и на неустранимый сквозной ток транзистор-диод. При этом также возрастают отклонения сигнала ошибки за границы гистерезиса, обусловленные инерционными свойствами транзисторов и диодов схемы оконечного каскада КУМ.

Таким образом, относительная величина гистерезиса выбирается с учетом особенностей схемы КУМ, решаемой задачи ключевого усиления или регулирования напряжения и уровнем требуемой выходной мощности. Как правило, с ростом номинальной выходной мощности устанавливаются режимы с пониженной частотой переключения в элементах оконечного каскада. Здесь можно отметить, что увеличение периода переключений с приближением к максимальному уровню выходного напряжения является некоторым преимуществом асинхронной ШИМ, реализующей принцип автоколебаний для уменьшения сигнала ошибки.

Реализация такого принципа действия связана с существенной зависимостью периода Т следования импульсов (период переключений) от нормированного уровня входного сигнала U. Для обратной связи через интегрирующее звено для двухтактной импульсной последовательности, где полярность импульсов соответствует полярности усиливаемого сигнала, такая зависимость может быть определена в следующем виде:

где - относительная величина гистерезиса Δ релейного элемента при амплитуде импульсов напряжения Е и коэффициенте передачи обратной связи β;

- относительный уровень входного сигнала;

τ_u - постоянная времени интегрирующей цепи.

Из зависимости (1) можно видеть, что при граничных значениях величины |U| ≈ 0,95 и |U| ≈ 0,05 период переключений более чем в 5 раз превышает минимальное значение

Если при большом уровне сигнала такое увеличение периода эквивалентно режиму ограничения, то при малых уровнях |U| выделенный фактор связан с недопустимо большими искажениями сигнала.

Для устранения этого обстоятельства в известном техническом решении [4] предложен способ ограничения длительности паузы t_П между импульсами, например на уровне Т₀. При нарушении условий t_П>Т₀ происходит формирование импульса обратной полярности с последующей паузой t_П=Т₀. Таким образом, результирующий период переключений лишь незначительно может превышать величину 3Т₀ с учетом наличия двух пауз (2Т₀) и суммарной длительности импульсов.

Двухтактная последовательность импульсов является частным случаем выходного импульсного напряжения в многоканальных системах ключевого усиления при сложении двух противофазных на период переключений импульсных сигналов. Многоканальная импульсная модуляция такого вида достаточно просто обеспечивается при синхронной ШИМ в условиях равномерного сдвига синхронизирующих пилообразных напряжений [5]. Для случая асинхронной ШИМ в отсутствие принудительной синхронизации многоканальная модуляция может быть обеспечена формированием результирующего импульсного сигнала, как результата сравнения суммарного сигнала ошибки с порогами релейного элемента. При этом фронты и спады результирующего сигнала распределяются равномерно для формирования фронта и спада импульсов в каждом канале ключевого усиления. Таким образом реализован способ многоканальной АШИМ в соответствии с известным техническим решением [6], являющимся прототипом настоящего изобретения.

Способ-прототип многоканальной АШИМ и устройство для его осуществления выгодно отличаются от известных технических аналогов реализацией преимуществ многоканальной модуляции для ключевых усилителей с асинхронным формированием последовательности импульсов.

Способ-прототип многоканальной АШИМ основан на сравнении опорного сигнала и сигнала обратной связи по суммарному выходному напряжению для формирования разностного сигнала по напряжению, по превышению допустимых границ изменения которого в режиме автоколебаний формируют N-последовательностей импульсов, модулированных по длительности, частоте следования при относительно равномерном фазовом сдвиге для управления N-каналами ключевого усиления,

Особенностью известного способа [6] многоканальной АШИМ является формирование импульсного сигнала по результату сравнения разности входного сигнала и сигнала обратной связи по суммарному выходному напряжению с порогами срабатывания релейного элемента. При этом импульсные последовательности отдельных каналов ключевого усиления реализуется посредствам поочередного распределения фронта и спада результирующего сигнала для управления отдельных каналов АШИМ. Устранение резкого понижения частоты переключений каналов КУМ при предельном уменьшении длительности импульсов результирующего импульсного сигнала в способе-прототипе достигается принудительным формированием дополнительного фронта или спада импульсов, что приводит к ограничению длительности паузы при изменении частоты переключений не более чем в три раза.

Устройство (фиг. 1), реализующее способ-прототип содержит многоканальную схему ключевого усиления (каналы КУМ 1, 2, …N), сумматор, распределитель импульсов (РИ), вычитающее устройство (ВУ) и цепь обратной связи по суммарному напряжению (ОСН). При этом первый вход вычитающее устройства соединен с шиной опорного сигнала, а второй вход через цепь обратной связи по напряжению - с выходом сумматора, входы которого подключены к выходам N каналов ключевого усиления.

Как иллюстрируется на фиг. 2, для случая двухканальной АШИМ, фронты и спады импульсного сигнала на входе релейного элемента, соответствующие сравнению разностного сигнала с верхней (+Δ) и нижней (-Δ) границами его изменения, определяют поочередное формирование фронтов и спадов импульсов на выходах распределителя 4 импульсов и, соответственно, выходных импульсных напряжений V₁ и V₂ каналов ключевого усиления. При увеличении паузы между импульсами суммарного импульсного напряжения V обеспечивается принудительное формирование фронта импульса противоположной полярности, что обеспечивает ограничение максимального полупериода переключений на заданном значении

0,5T_max=(1-2…2.0)Т₀.

Предложенные меры позволяют избежать кратного понижения частоты переключений при изменении полярности входного сигнала. Таким же образом для многоканальной АШИМ достигается уменьшение искажений при переходе уровня сигнала через граничные зоны модуляции, число которых соответствует N-1 (где N число каналов ключевого усиления). Однако допустимое трехкратное изменение частоты переключений в способе и устройстве-прототипе при смене зоны модуляции имеет резкий характер и связано с существенными искажениями выходного напряжения, уровень которых достигает 3-7%, что особенно принципиально при смене полярности усиливаемого сигнала в широкополосных усилителях низкой частоты.

Для ключевых регуляторов постоянного напряжения с многоканальной АШИМ резкое понижение частоты переключений в номинальных режимах работы при относительных уровнях сигнала в диапазоне U=(0,3-0,7) также ухудшает линейность регулировочной характеристики. Вместе с тем возрастание частоты переключений при уровнях сигнала близких к граничным значением U=(0,1-0,2) и U=(0,8-0,9) существенно сказывается на увеличении потерь энергии (до 7…10%), что влияет на понижение надежности их работы.

Другим недостатком способа прототипа является применение обратной связи только по выходному напряжению, что исключает возможность ограничение выходного тока при экстремальных значениях сигнала и уменьшении импеданса нагрузки. Выделенное обстоятельство также существенно сказывается на показатели надежности ключевых усилителей и преобразователей напряжения с многоканальной АШИМ.

Задачей настоящего изобретения является улучшение показателей качества выходного сигнала при повышении надежности работы ключевых усилителей мощности с многоканальной АШИМ.

Для решения поставленной задачи в известный способ асинхронной многоканальной ШИМ, основанный на сравнении опорного сигнала и сигнала обратной связи по суммарному выходному напряжению для формирования разностного сигнала по напряжению, при превышении допустимых границ, изменения которого в режиме автоколебаний формируют N-последовательностей импульсов, модулированных по длительности и частоте следования при относительно равномерном фазовом сдвиге для управления N каналами ключевого усиления, введены новые признаки, а именно: в каждом i-ом канале ключевого усиления формируют сигнал обратной связи по выходному току канала, который совместно с дифференциальным сигналом (i+1)-канала ключевого усиления (при i=N, i+1=1) суммируют с разностным сигналом по напряжению перед сравнением с допустимыми границами его изменения для формирования последовательности импульсов управления i-ого канала ключевого усиления, причем разностный сигнал по напряжению подавляют при превышении сигнала обратной связи по выходному току канала заданного максимального уровня.

Для выполнения заявленного способа в известное устройство, содержащее N-канальную схему ключевого усиления, вычитающее устройство, первый вход которого соединен с шиной опорного сигнала, а второй вход через цепь обратной связи по напряжению - с выходом сумматора, входы которого подключены к выходам N каналов ключевого усиления, дополнительно введены N формирователей импульсов, прямые и инверсные выходы которых соединены с соответствующими входами каналов ключевого усиления, в состав каждого из которых входят одноканальный ключевой усилитель мощности, подключенный прямым и инверсным входами к соответствующим входам каналов ключевого усиления, а выходом через датчик тока к выходу канала ключевого усиления, причем сигнальный выход датчика тока канала через дополнительный выход канала ключевого усиления соединен с первым дополнительным входом соответствующего формирователя импульсов, при этом в состав каждого i-ого формирователя импульсов входят дополнительное вычитающее устройство, диодно-резисторный сумматор, весовой сумматор, релейный элемент и дифференцирующая цепь, а шина опорного сигнала по току соединена через второй дополнительный вход каждого i-ого формирователя импульсов к первому входу дополнительного вычитающего устройства, второй вход которого соединен с первым дополнительным входом формирователя импульсов и первым входом весового сумматора, а выход - к диодному входу диодно-резистивного сумматора, резистивный вход которого соединен через вход формирователя импульсов с выходной шиной вычитающего устройства, причем третий вход весового сумматора каждого i-ого формирователя импульсов соединен через третий дополнительный вход этого формирователя с дополнительным выходом (i+1)-го формирователя импульсов (где для i=N, (i+1)=1), а выход весового сумматора каждого i-ого формирователя импульсов соединен со входом релейного элемента, прямой и инверсной выходы которого соединены с прямым и инверсным входами формирователя импульсов, а инверсный выход дополнительно подключен через дифференцирующую цепь с дополнительным выходом формирователя импульсов.

Технический результат от использования заявляемого способа асинхронной многоканальной ШИМ и устройства для его реализации заключается в обеспечении равномерного фазового сдвига формируемых в режиме автоколебаний ряда импульсных последовательностей за счет взаимной синхронизации каналов ключевого усиления с обратной связью по выходному току канала, а также применением общей обратной связи по выходному напряжению для обеспечения требуемого качества выходного сигнала. При этом в режимах токовой перегрузки реализуется подавление обратной связи по напряжению и переход в режим ограничения выходного тока каналов ключевого усиления, что устраняет возможные аварийные ситуации понижающие надежность работы ключевых усилителей мощности с многоканальной АШИМ.

Применение изобретения обеспечивает равномерный фазовый сдвиг импульсных сигналов и плавное изменение частоты переключений, как в режиме стабилизации выходного напряжения, так и в режиме ограничения выходного тока каналов ключевого усиления. Период переключений изменяется плавно без резких скачков в широком диапазоне регулирования выходного напряжения, заметно увеличиваясь только в граничных режимах полной и минимальной модуляции, что способствует понижению динамических потерь энергии в экстремальных режимах, например, при полной выходной мощности ключевого регулятора, либо при ограничении максимального тока.

В предлагаемом изобретении достижения технического результата обеспечивается новой совокупностью действий ранее не использованных в многоканальных системах ключевого усиления. Для обеспечения взаимной синхронизации каналов при сохранении режима автоколебаний используется обратная связь по выходному току канала, соответствующая обратной связи по выходному импульсному напряжению через фильтр первого порядка (после дросселя фильтра нижних частот). Как иллюстрируется временными диаграммами сигналов (фиг. 4), поясняющими принцип действия предлагаемого способа, в этом случае разностные сигналы U_P1, U_P2, формируемые в каналах ключевого усилителя практически не выходя за установленные границы изменения +Δ, -Δ. Соответственно, для противофазной синхронизации канала (на примере двухканальной схемы ключевого усиления) предлагается дополнение разностного сигнала противофазным дифференциальным сигналом другого канала. Причем достаточно обеспечить амплитуду дифференциального сигнала не более (0,1-0,3)Δ. Аналогичная ситуация достигается при ряде каналов ключевого усиления при кольцевой взаимной синхронизации каналов, что приводит к равномерному фазовому сдвигу N импульсных сигналов при плавном изменении периода переключений выделенное обстоятельство позволяет в полной мере использовать потенциал многоканальной модуляции для многоканальной АШИМ, при кратном повышении суммарной частоты переключений результирующего сигнала (V) по сравнению с частотой переключений отдельных каналов (V₁, V₂ - фиг. 2).

Для сохранения режима стабилизации и регулирования выходного напряжения в предлагаемом способе с многоканальной АШИМ с обратной связью по току в отдельных каналах ключевого усиления сохраняется общая обратная связь (ОС) по суммарному выходному напряжению, результат сравнения которого с входным сигналом поступает на входы каналов. Принимая во внимание значительную глубину ОС по напряжению для номинальных режимов работы обеспечивается высокая точность управления и регулировки напряжения на нагрузки. Однако, согласно предлагаемому способу, в экспериментальных режимах при превышении выходного тока каналов максимально допустимого значения, разностный сигнал по напряжению подавляется и осуществляется переход к режиму стабилизации выходного тока каналов на заданном максимально допустимом уровне. В совокупности с понижением частоты переключений при резком уменьшении нагрузки либо в переходных режимах работы применение заявленного технического решения позволяет значительно повысить надежность функционирования ключевых усилителей мощности с многоканальной АШИМ при улучшении показателей качества выходного сигнала.

Таким образом новая совокупность действий, положенная в основу принципа действий настоящего изобретения соответствует поставленной задачи и приводит к достижению заданного технического результата.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-6, где на фиг. 1 представлена структурная схема протоипа, на фиг. 2 временная диаграмма, поясняющая работу прототипа, на фиг. 3 - структурная схема заявляемого устройства, на фиг. 4 - временные диаграммами, поясняющие его работу для двухканального варианта реализации, на фиг. 5 - зависимости периода переключений от уровня сигнала для прототипа и заявляемого технического решения, на фиг. 6 - представлены результаты математического моделирования и данные численных расчетов переходных характеристик выходного тока в предлагаемом устройстве при резком увеличении (фиг. 6-а) и уменьшении (фиг. 6-б) входного сигнала.

Устройство для реализации способа асинхронной многоканальной ШИМ (фиг. 3) содержит вычитающее устройство (ВУ), N каналов формирователей импульсов (каналы ФИ 1, 2…N), N каналов ключевого усиления (каналы КУ 1, 2…N), сумматор импульсных напряжений (СИН), цепь обратной связи по напряжению (ОСН). В свою очередь в каждый i-ый (i=1…N) канал ФИ входит дополнительное вычитающее устройство (ДВУ i.1), диодно-резистивный сумматор (ДРС i.2), весовой сумматор (ВС i.3), релейный элемент (РЭ i.4) и дифференцирующая цепь (ДЦ i.5). Соответственно, каждый канал ключевого усиления включает собственно одноканальный ключевой усилитель мощности (КУМ i.1), датчик тока (ДТ i.2) и цепь обратной связи по выходному току (OCT i.3).

В устройстве используются шина опорного сигнала U₀, шина опорного сигнала по току U_0I и шина выходного сигнала V. Функциональные узлы каналов ФИ 1, …ФИ i, …ФИ N и каналов КУ 1, …КУ i, …КУ N снабжены входами и выходами, обеспечивающими необходимые связи для работоспособности заявляемого устройства в соответствии с принципом действия, определенным в предлагаемом способе многоканального АШИМ.

Выполнение структурных узлов заявляемого устройства определяется функциональным назначением и соответствует принципу реализуемости по известным правилам.

ВУ обеспечивает формирование разностного сигнала по результату разности входного опорного напряжения U₀ и сигнала обратной связи по выходному напряжению:

U_PU=K_U(U₀-β_UV),

где β - коэффициент передачи цепи {5} обратной связи по суммарному выходному напряжению V;

K_U - коэффициент усиления разностного сигнала, определяющий глубину обратной связи, как правило, на уровне 20-30 дБ.

ВУ может быть выполнено по типичной схеме на операционном усилителе с отрицательной обратной связью.

ОСН выполняется на резистивном делителе с заданным коэффициентом передачи. При необходимости дополнительного подавление высокочастотных продуктов импульсного преобразования в состав узла [5] может быть введена интегрирующая цепь с постоянной времени τ_u=(2-4)Т, где Т - средний период переключений канала ключевого усиления.

СИН каналов ключевого усиления обеспечивает последовательное либо параллельное сложение, а также фильтрацию высокочастотных составляющих и выделение на выход полезных низкочастотных составляющих выходного сигнала на большей уровне мощности. Последовательное сложение целесообразно для ключевых усилителей низкой частоты. В этом случае в составе СИН используются выходные трансформаторы выходных сигналов каналов ключевого усиления.

Трансформаторное суммирование достигается по известным правилам посредством последовательного включения вторичных обмоток трансформаторов. При параллельном суммировании выходы каналов ключевого усиления соединяются параллельно через дроссели фильтра в составе СИН. Такое сложение предпочтительно для использования в многоканальных ключевых регуляторах знакопостоянного напряжения. Возможный разброс выходных токов каналов ключевого усиления при параллельном включении в предлагаемом техническом решении устраняется использованием обратной связи по выходному току в каждом канале.

Каждый i канал ключевого усиления выполняется по известным правилам на основе КУМ i.1, выполненного, например, по полумостовой схеме [1], электронного датчика ДТ i.2 выходного тока и резистивной цепи РЭ i.3 обратной связи по току. Сигнал обратной связи U_I может выделяться либо непосредственно с датчика тока, например, выполненного на микросхеме CKSR50, либо через резистивный делитель цепи обратной связи с заданным коэффициентом передачи при исключении постоянного смещения, характерного для датчика тока выбранного типа.

В составе КУМ i.1 используется драйвер на микросхеме SI8323, реализующий известный принцип противофазного управления транзисторов полумостового оконечного каскада.

Наиболее сложным в части реализации является формирователь импульсов.

На выходе каждого i канала ФИ включен РЭ i.4 с прямым и инверсным выходным сигналом. Такой элемент может быть реализован на быстродействующем операционном усилителе либо компараторе с положительной обратной связью, формирующей необходимую величину гистерезиса Δ. На вход РЭ поступает сигнал с выхода ВС i.3, как результат суммирования разностного сигнала по напряжению U_PU сигнала обратной связи по току U_I, и знакопеременного сигнала ДЦ i.5, предшествующего канала ФИ (i+1).

При разной полярности сигналов U_PU и U_I ВС i.3 может быть выполнен на резистивном сумматоре и операционном усилителе с заданным коэффициентом усиления.

Выбор параметров ДЦ i.5 с учетом входного сопротивления ВС i.3 определяется из уровня амплитуды импульсов, приведенных ко входу РЭ i.4, не более 0,1-0,3 от гистерезиса.

В условиях превышения сигнала обратной связи по току максимально допустимого значения канал i формирователя импульсов переводит работу устройства в режим стабилизации тока, что устанавливается изменением полярности выходного сигнала дополнительного вычитающего устройства, выполненного на операционном усилителе, на входы которого поступают сигналы U_I и U_0I.

В этом режиме работы диодный вход узла ДРС i.2 блокирует прохождение сигнала U_PU через резистивный вход. В результате на выходе ДРС сигнал ограничивается и в формировании импульсов определяющее влияние оказывает обратная связь по току, глубина которой возрастает с уменьшением нагрузки устройства.

Таким образом, функциональные узлы ДВУ i.1, ДРС i.2, СВ i.3, РЭ i.4 и ДЦ i.5 формирователей импульсов (ФИ 1…i…N), соответствуют условиям технической реализуемости устройства, а совокупность их применения обеспечивает достижение технического результата предлагаемого изобретения.

Реализацию предлагаемого способа продемонстрируем на примере работы заявленного устройства.

Входной сигнал U₀ поступает на вход вычитающего устройства с сигналом обратной связи по выходному напряжению U_OC, поступающему с выхода СИН через цепь на другой вход вычитающего устройства.

Разностный сигнал U_PU=U₀-U_OC с выхода вычитающего устройства подается на централизованную шину входного сигнала каналов ФИ 1…ФИ N.

В номинальном режиме при выходном токе I_i отдельного i-ого канала КУ не более максимально допустимого значения I_M сигнал на выходе ДВУi.1 имеет малый уровень и разностный сигнал U_PU без подавления передается на один их входов ВС i.3, на выходе которого формируется результирующий разностный сигнал U_Pi.

ВС обеспечивает сложение сигнала U_PU с напряжением обратной связи по выходному току i-ого канала U_Ii и дифференциального сигнала от (i+1)-канала с заданными весовыми коэффициентами K_U, K_I K_Д:

Как иллюстрируется на фиг. 5, в результате сравнения результирующего разностного сигнала U_Pi с порогами срабатывания РЭ i.4 формируются импульсные последовательности ϑ_i и на прямом и инверсном выходе i-го ФИ с длительностью импульсов t_U и пауз t_П соответствующих АШИМ:

для t∈t_U ϑ_i=Н; для t∈t_П ϑ_i=L, где H, L - высокий и низкий уровень импульсов на прямом выходе РЭ i.4.

Эти импульсные сигналы через выходы i-го ФИ поступают на входы канала i-го КУ, где усиливаются по мощности КУМ.i.1 и передаются через ДТ i.2 на соответствующий вход СИН. При этом импульсный сигнал с инверсного выхода РЭ i.4 поступает через ДЦ i.5 на соответствующий вход ВС предыдущего канала i-1 КУ, обеспечивая кольцевую взаимную синхронизацию каналов формирователя импульсов ФИ 1…ФИ N.

Другие каналы формирователя импульсов и каналы ключевого усиления работают аналогичным образом, чем достигается равномерный фазовый сдвиг их выходных сигналов V1…V_N при плавном изменении периода следования импульсов и кратном повышении суммарной частоты переключений. Тем самым в номинальном режиме достигается высокое качество суммарного выходного напряжения устройства при линейности регулирования в широком динамическом диапазоне.

СИН может обеспечивать как последовательное, так и параллельное сложение выходных сигналов каналов КУ. В первом случае через выходы каналов КУ мощности протекает общий выходной ток СИН. Во втором случае, наиболее удобном, для применения в ключевых регуляторах напряжения происходит сложение выходных токов каналов, что может нарушить равномерность их загрузки. Однако в предлагаемом устройстве применение комбинированной обратной связи в номинальном режиме обеспечивает хорошее выравнивание выходных токов с точностью не хуже 2-5%, что гарантирует их идентичную загрузку.

В экстремальных режимах, связанных с недопустимым уменьшением нагрузки либо резким изменением входного сигнала, может иметь место повышение тока каналов ключевого усиления выше предельного значения, гарантирующего надежную работу.

В этом случае предлагаемое устройство переходит в режим ограничения выходного тока. Так, например, по результату сравнения опорного сигнала по току U_0i с сигналом обратной связи U_I с выхода OCT i.3 в каждом i канале на выходе ДВУ i.1 формируется отрицательное напряжение высокого уровня U_PI=U_I-U_OI, поступающее на диодный вход ДРС i.2. При этом блокируется прохождение сигнала U_PU при повышении глубины обратной связи по выходному току канала. В результате обеспечивается режим ограничения выходного тока при формировании модулированной последовательности импульсов с АШИМ. Принцип действия взаимной синхронизации каналов не изменяется, что обеспечивает равномерный фазовый сдвиг импульсов при высоком качестве стабилизации выходного тока. Таким образом может быть обеспечено ограничение предельного выходного тока в том числе и в режимах короткого замыкания на уровне, превышающем номинальное значение не более чем на 10%.

Основным преимуществом заявленного способа многоканальной АШИМ и устройства, реализованного на его основе, по сравнению с известными аналогами и прототипом является обеспечение многоканальной модуляции с равномерным фазовым сдвигом каналов ключевого усиления при плавном изменении частоты переключений как в режимах регулирования (стабилизации) выходного напряжения так и в режимах ограничения выходного тока.

График на фиг. 5 иллюстрирует зависимости периода переключений при двухканальной АШИМ для способа и устройства-прототипа (пунктирная линия) и для заявляемого технического решения (сплошная линия). Представленные данные аналитических расчетов подтверждают резкое уменьшение частоты переключений в граничной зоне (при малых сигналов), где в предлагаемом устройстве обеспечивается максимальная частота переключений. В качестве преимущества заявленного технического решения можно также отметить плавный характер изменения уровней входного сигнала от +0,6 до -0,8 в пределах Т₀ до 2,5Т₀, в то время как в устройстве прототипа изменения периода носят резкий характер в пределах Т₀ - 3,5Т₀, что особенно заметно в диапазоне малых сигналах от 0,2 до -0,2. При этом в устройстве прототипе может быть заметно улучшено качество выходных сигналов при нелинейных искажениях не более 1-2% в динамическом диапазоне до 40 дБ. В то время как в устройстве прототипе динамический диапазон превышает 30 дБ при нелинейных искажениях до 7%.

Результаты численных расчетов переходных процессов двухканального ключевого регулятора, реализующего предлагаемый способ многоканальной АШИМ, при изменении входного сигнала убедительно доказывают сохранение взаимной синхронизации каналов ключевого усиления в автоколебательном режиме работы. Обеспечение практически противофазной работы позволяет реализовать потенциал многоканальной модуляции при кратном повышении частоты суммарного импульсного сигнала, чем достигается как улучшение динамических характеристик регулирования выходного напряжения, так и равномерность потребляемого тока от сети электропитания (фиг. 6-а, фиг. 6-б).

Отмеченные преимущества предлагаемого технического решения в сочетании с реализацией мер по устранению аварийной ситуации в режимах токовой перегрузки позволяет рекомендовать настоящее изобретение для внедрения в ключевые усилители и регуляторы напряжения большой мощности, требующие построения по многоканальной схеме. В таких устройствах реализация новых существенных функциональных взаимосвязей и структурных узлов, входящих в признаки предложенного способа и устройства, позволяют существенно улучшить качественные показатели и повысить надежность работы, в том числе в энергоемких режимах функционирования.

В настоящее время на нашем предприятии разработаны и проходят опытную апробацию ключевые регуляторы напряжения с 2-х канальной и 4-х канальной АШИМ, реализованные на основе заявляемого технического решения. При большом уровне требуемой номинальной выходной мощности до 10-20 кВт разработанные опытные образцы реализуют динамический диапазон регулирования до 40 дБ в частотном диапазоне до 10 кГц при нелинейных искажениях огибающей выходного напряжения не более 2%.

В новых разработках предполагается внедрение предложенного способа многоканальной АШИМ для построения широкополосных мощных генераторных устройств звукового диапазона, что позволит улучшить более чем в два раза показатели качества выходных сигналов.

Источники информации

1. Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы в радио технике и радиовещании. М.: Связь. 1980. 209 с.

2. Кибакин В.М. Основы ключевых методов усиления. М.: Энергия. 1980. 232 с.

3. Авторское свидетельство СССР 1376233. Усилитель класса D. Алексанян А.А., Талахов, Майоров В.А.. Приор. 23.01.85 опубл. 23.02.88.

4. Авторское свидетельство СССР №1190928. Способ адаптивного формирования последовательности широтно-импульсных импульсов и устройство для его осуществления. Алексанян А.А., Александров В.А., Майоров В.А., Галахов В.А. Приор. 08.07.83, опубл. 08.07.85.

5. Александров В.А. и др. Особенности построения ключевых усилителей гидроакустических передающих трактов с многоканальной ШИМ. Труды учебных заведений связи./ СПб ГУТ. - СПб 1997 - №163, с. 157-163.

6. Авторское свидетельство №1328933. Способ адаптивной многоканальной широтно-импульсной модуляции и устройство для его осуществления. Алексанян А.А., Александров В.А., Майоров В.А., Галахов В.А., Можайко В.Л. Приор. 11.12.85, опубл. 08.04.87. Прототип.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в ключевых усилителях низкой частоты и ключевых регуляторах напряжения, выполненных на ряде каналов ключевого усиления. Технический результат заключается в улучшении показателей качества выходного сигнала при повышении надежности работы ключевых усилителей мощности с многоканальной асинхронной широтно-импульсной модуляцией. Способ многоканальной асинхронной широтно-импульсной модуляции основан на сравнении сигнала и сигнала обратной связи по суммарному выходному напряжению для формирования разностного сигнала по напряжению, при превышении допустимых границ изменения которого в режиме автоколебаний формируют N-последовательностей импульсов, модулированных по длительности и частоте следования при относительно равномерном фазовом сдвиге для управления N-каналами ключевого усиления, отличающийся тем, что в каждом i-м (i=1…(N-1)) канале ключевого усиления формируют сигнал обратной связи по выходному току канала, который совместно с дифференциальным сигналом (i+1)-го канала ключевого усиления суммируется с разностным сигналом по напряжению, а сигнал обратной связи по выходному току N-го канала ключевого усиления суммируется с разностным сигналом по напряжению совместно с дифференциальным сигналом 1-го канала ключевого усиления, причем разностный сигнал по напряжению подавляют при превышении сигнала обратной связи по выходному току канала заданного максимального уровня. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ многоканальной асинхронной широтно-импульсной модуляции, основанный на сравнении сигнала и сигнала обратной связи по суммарному выходному напряжению для формирования разностного сигнала по напряжению, при превышении допустимых границ изменения которого в режиме автоколебаний формируют N-последовательностей импульсов, модулированных по длительности и частоте следования при относительно равномерном фазовом сдвиге для управления N-каналами ключевого усиления, отличающийся тем, что в каждом i-м (i=1…(N-1)) канале ключевого усиления формируют сигнал обратной связи по выходному току канала, который совместно с дифференциальным сигналом (i+1)-го канала ключевого усиления суммируется с разностным сигналом по напряжению, а сигнал обратной связи по выходному току N-го канала ключевого усиления суммируется с разностным сигналом по напряжению совместно с дифференциальным сигналом 1-го канала ключевого усиления, причем разностный сигнал по напряжению подавляют при превышении сигнала обратной связи по выходному току канала заданного максимального уровня.

2. Устройство для реализации способа многоканальной асинхронной широтно-импульсной модуляции, содержащее N-канальную схему ключевого усиления, вычитающее устройство, первый вход которого соединен с шиной опорного сигнала, а второй вход через цепь обратной связи по напряжению - с выходом сумматора, входы которого подключены к выходам N каналов ключевого усиления, отличающийся тем, что в его состав дополнительно введены шина опорного сигнала по току и N формирователей импульсов, прямые и инверсные выходы которых соединены с соответствующими входами каналов ключевого усиления, в состав каждого из которых входят одноканальный ключевой усилитель мощности, подключенный прямым и инверсным входами к соответствующим входам канала ключевого усиления, а выходом через датчик тока к выходу канала ключевого усиления, причем сигнальный выход датчика тока канала через цепь обратной связи по току и дополнительный выход канала ключевого усиления соединен с первым дополнительным входом соответствующего формирователя импульсов, в свою очередь, в состав каждого формирователя импульсов входят дополнительное вычитающее устройство, диодно-резистивный сумматор, весовой сумматор, релейный элемент и дифференцирующая цепь, а в состав устройства дополнительно введена шина опорного сигнала по току, соединенная через второй дополнительный вход каждого формирователя импульсов к первому входу дополнительного вычитающего устройства, второй вход которого соединен с первым дополнительным входом формирователя импульсов и первым входом весового сумматора, а выход - к диодному входу диодно-резистивного сумматора, резистивный вход которого соединен через вход формирователя импульсов с выходной шиной вычитающего устройства, а выход - с вторым входом весового сумматора, причем третий вход весового сумматора каждого i-го формирователя соединен через третий дополнительный вход с дополнительным выходом (i+1)-го формирователя импульсов, а третий вход весового сумматора N-го формирователя соединен через третий дополнительный вход с дополнительным входом 1-го формирователя импульсов, соответственно, причем выход весового сумматора каждого формирователя импульсов соединен со входом релейного элемента, прямой и инверсный выход которого соединены с прямым и инверсным выходом формирователя, а инверсный выход дополнительно подключен через дифференцирующую цепь с дополнительным выходом формирователя.