Способ управления импульсным стабилизатором Советский патент 1989 года по МПК G05F1/66 

Изобретение относится к преобразовательной технике, а именно к способам управления импульсньми стабилизаторами постоянного напряжения, которые широко применяются дпя питания различной электро- и радиоаппаратуры,

Цель изобретения - повыпение качества стабилизации выходного напряжения в переходном режиме.

На фиг. 1 приведена функциональная схема силового каскада импульсного стабилизатора и устройства управления, реализующего предлс)женный способ управления; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие сущность способа управления; на фиг. 3 - вариант реализации вычислительного блОе-; ка.

, -- i

Сиповой каскад состоит из дросселя 1, силового ключа 2, диода 3 и конденсатора 4, к которому подключается нагрузка 5. Устройство управления содержит вычислительньй блок 6, сравнивающий усилитель 7 с источником 8 опорного напряжения (U), релейные элементы 9 и 10, диода I1 и 12, ключи 13 - 16, сумматоры 17 и 18,

4::

СО

сл

31495770

интеграторы 19 - 21, узел 22 умноже- ния, триггер 23, генератор 24 тактовых импульсов (ГТИ).

На фиг. 3 приняты следующие обо- значения: 25 - 29 - умножители, 30 - 32 - сзлмматоры, 33 и 34 - делители, 35 - 37 - масштабные делители.

Управление импульсным стабилизатором осуществляется следующим образом, ю

В течение интервала tL6(0, 0) силовой ключ 2 открыт, в дросселе запасается энергия, ток в нем изменяется по закону

Учитывая (I), получаем

5

(6)

На основании фиг. 2 можно записать

St (t«)

iu(t) + it 2

(7)

Изобретение относится к вторичным источникам питания. Цель изобретения - повышение качества стабилизации выходного напряжения в переходном режиме. Цель достигается тем, что дополнительно измеряют текущие значения тока дросселя I_L и тока нагрузки I_н, по формуле I_LT = I_н(U_н):(U_N) вычисляют терминальное значение тока дросселя в тактовые моменты времени, в начале каждого периода модуляции производят отпирание силового ключа, если он до этого был заперт. Для текущего момента времени по значению тока дросселя вычисляют значение ампер-секундной площади тока через диод при условии, что в этот момент времени силовой ключ запирается. Последующее отпирание производится так, чтобы ток дросселя в конце периода модуляции был равен вычисленному терминальному значению. Затем сравнивают полученное значение указанной ампер-секундной площади с сигналом управления, и в момент их равенства производят запирание силового ключа. Аналогично измеряют ампер-секундную площадь тока через диод и производят отпирание силового ключа. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

4(t ) i,(o) f t,

(f)

20

s(t), i,( )

Поскольку с течением времени ток г, возрастает, а значение согласно

где t - время, отсчитываемое от начала каждого такта управления. В каждый момент времени t производится вычисление ампер-секундной площади S(t) тока через диод 3 при

условии, что в данньй момент силовой 25 ( остается неизменньп., то вс зраста- ключ вк чается, а его последующее значение S (t).

включение производится в такой момент. времени 9, обеспечивается ус-Когда значение S (t) становится

ловие ) i(T), где ) - за-равным сигналу управления (в качестданное значение тока дросселя в кон- JQ ве которого используется усиленное це такта управления, т.е. его терми-отклонение выходного напряжения от

нальное значение (фиг. 2)wопорного напряжения), производят запирание силового ключа 2 - момент 6i на фиг. 2. Интервал /сформирован. 35В следующем интервале t е ( 0,, б )

энергия из дросселя и источника питания через диод 3 поступает в нагрузку и накопительньй конденсатор. Ток в дросселе убывает по закону

В момент 0 ток дросселя равен

,«

i /t - (2) 1,vt J 6J }

в конце такта

l.m.il ,

, (3) f°

/V

4(t ) (tV-t,),

в этих выражениях i - выЧислен

ное значение интервала включенного состояния ключа, а cl - длительность 45 Д i, ii. (t У, ). интервала выключенного состоянияВ момент б, начинают измерять ампер-секундную площадь тока через диключа.

Поскольку о

Т - t

-л

г

то

од, равного току дросселя

-fc 84(1) j ijt)cit.

л, i,(T)

Un

(Т - t ). (4)

Подставляя (2) и (4) и преобразуя получаем

f (Т - t) -н i,(t) - i, (Т)

Значение S,(t) непрерывно возра стает, так как i 0. Когда значени S (t) становится равным сигналу уп равления, производят выключение силового ключа 2. Интервал С сформйг -г

V«, L

, рован.

)1 в течение интервала t6( 9, Т) в дросселе начинает вновь запасаться

Подставляя в это выражение значение i из (2), получаем

20

s(t), i,( )

Поскольку с течением времени ток г, возрастает, а значение согласно

( остается неизменньп., то вс зраста- значение S (t).

4(t ) VM - Un

(tV-t,),

0

од, равного току дросселя

-fc 84(1) j ijt)cit.

8,

Значение S,(t) непрерывно возрастает, так как i 0. Когда значение S (t) становится равным сигналу управления, производят выключение силового ключа 2. Интервал С сформйэнергия, кону

ток в нем изменяется по заi(t) i, .(, /V ч

t-)

в конце такта управления

i(T) i

, (T--. -%}

ЛЕсли в течение интервалов с- и С, значение Up не изменяется, а вычисление S (t) производится точно, то значение ii,(T) равно i(T). Однако в реальных условиях U const, поэтому ii (Т), может несколько, отличать

ч

ся от i(T). Тем не менее в следующем такте управления при формировании ин шервалов с и учитывается факти

ческое значение тока i в начале так

та Поэтому, если даже условие ij(T) 1((1) не реализуется, это не приво- дит к на ругаению нормальной устойчивой работы системы. Допустимость погрешности в выполнении этого условия и делает возможным использование приближенных соотношений полученных без учета активного сопротивления дросселя.

Количество энергии, поступившей за такт управления из дросселя и ис-. точника питания в конденсатор и нагрузку, равно

е, 0t

Сигнал, характеризующий S , суммируют с сигналом управления. Поэтому, если ток нагрузки возрастает (или з еньшается) в процессе форми1 о вания интервалов о, и , то соот- ветствующим образом возрастает (уменьшается) величина S в (9). Баланс энергии при этом сохраняется. Если возрастание тока нагрузки существенно, то величина S j, изменяется значительно, и в течение одного 35 такта соответствук1р;ее изменение вели чины S« не может быть обеспечено.

f , Jf J и QКлюч 2 ортается открытым в течение

J «: иц J i rfta: . времени, p пока ток i не возрастает

в,

б,

(9)

до значения, при котором может быть 40 получено необходимое значение S-. Такой форсированный режим обеспечивает минимальное значение просадки выходного напряжения.

до значения, при котором может быть 40 получено необходимое значение S-. Такой форсированный режим обеспечивает минимальное значение просадки выходного напряжения.

Поскольку значение S определяется сигналом управления и при U 5 const постоянно, то значение W(4,) постоянно при любых изменениях напряжения питания. При постоянной нагруз- д Терминальное значение тока дрос- ке это обеспечивает баланс поступаю- селя i|(T) вычисляем исходя из равенства интервалов t, и С , т.е. при .условии, что тактовые импульсы находятся в середине интервала открытого 50 состояния ключа. Вычисление производим исходя из текущих значений U,

щей и потребляемой энергий, поэтому энергия в конденсатор не поступает и напряжение на нем остается постоянным. Таким образом, выходное напряжение не зависит от входного.

Если нагрузка изменяется, то баланс энергий нарушается, что приводит к заряду или разряду конденсатора фильтра. Чтобы устранить это явле- cj ние, т.е. повысить качество стабилизации при изменении тока нагрузки, в каждый момент времени формируют сигнал, пропорциональный значению амU|, и 1ц в предположении, что при этих значениях переменных в системе установился стационарный режим, т.е.

i,(T)

i,.(0)

it(T).

Для установившегося режима очевидны соотношения

пер-секунднои площади тока нагрузки за текущий период модуляции

т .

I

Поскольку значение тока при t t неизвестно, то его следует прогнозировать, В простейшем случае считаем, что

S

i (t t) ).

i

j i,(t)clt + i(t)(T-t). о(10)

5

лением.

Первая составляющая S получается непосредственным аппаратурным интегрированием тока 1ц, вторая - вычис(0

Сигнал, характеризующий S , суммируют с сигналом управления. Поэтому, если ток нагрузки возрастает (или з еньшается) в процессе форми1 о- вания интервалов о, и , то соот- ветствующим образом возрастает (уменьшается) величина S в (9). Баланс энергии при этом сохраняется. Если возрастание тока нагрузки существенно, то величина S j, изменяется значительно, и в течение одного 5 такта соответствук1р;ее изменение величины S« не может быть обеспечено.

Ключ 2 ортается открытым в течение

времени, p пока ток i не возрастает

до значения, при котором может быть 40 получено необходимое значение S-. Такой форсированный режим обеспечивает минимальное значение просадки выходного напряжения.

д Терминальное значение тока дрос- селя i|(T) вычисляем исходя из равен

U|, и 1ц в предположении, что при этих значениях переменных в системе установился стационарный режим, т.е.

i,(T)

i,.(0)

it(T).

Для установившегося режима очевидны соотношения

i.T ii-Lli j

21

i, i,(T) -.t, ;

Uh

i, i,(T) -

1 -. - T 3

При Ъ 1;, из этих выражений чаем

/ .

) ii.Cr).

Так как t (l-J)T, то

:, Т

С.

Подставляя (12) в (11), получаем Т rт - i JiM

и и:

(13-)

Введение зависимости терминального значения ij от 1ц и U позволяет существенно расширить диапазоны токов нагрузки и напряжения питания, в которых обеспечивается компенсация возмущений. При возрастании тока нагрузки возрастает 1(Т), что автоматически переводит систему в режим больших токов примерно при тех же . значениях всех интервалов. Это гарантирует запас на регулирование значения S-.

Все операции, которые следует произвести при формировании интервалов 1 и , вьтолняются средствами аналоговой или цифровой (микропроцессорной) техники.

Устройство, реализующее предложен- ньй способ, работает следующим обра- зом,

В начале каждого такта управления тактовый импульс ГТИ 24 через диод 12 переключает триггер 23 в единичное состояние, если он ранее не бьш в этом состоянии, и разряжает интеграторы 19-21. Триггер 23 открывает силовой ключ 2 и закрьшает ключ 13. Ток в дросселе 1 начинает возрастать. Интегратор 21 формирует сигнал, пропор- ционапьный текущему времени t (Е - постоянное напряжение). Сумматор 18, узел 22 умножения, интегратор 22 и .сумматор 17 в соответствии с (10)

10

5

20

25

30 ,с

0

,-. -

формирумт сигнал, пропорциональньй Т сигнал, пропорциональный периоду модуляции. Усилитель 7 формирует сигнал управления U, равньй усипенной разности опорного напряжения и ЦП и выходного напряжения U.

Вычислительный блок 6 (фиг.З) по измеренным з начениям U, Цц, i , i в соответствии с выражениями (5), (8) и (1,3) формирует сигнал, пропорциональный ). Когда ) становится равным сумме U- и S , срабатывает релейньй элемент 9 и переводит триггер 23 в нулевое состояние. Силовой ключ 2 запирается, диод 3 отпирается, энергия из дросселя 1 и источника питания начинает поступать в конденсатор 4 и нагрузку 5„.Ключ 13 при этом отпирается и интегратор 19 начинает формировать сигнал, пропорциональньй ампер-секундной площади S,.(t) тока через диод 3. Когда э.тот сигнал становится равным и + 8ц, срабатьшает релейный элемент 10, триггер 23 переводится в единичное состояние,, клич 2 отпирается,,

Далее цикл повторяется. Предложенный способ управления обеспечивает высокзпо стабипьность выходного напряжения стаби-пнзатором как в стационарном режиме когда значения Ц;.д и i не изменяются, так и в динамическом режиме, когда Uf, и i,, изменяются. Его применение позвоГТ

ляет значительно снизить габариты входного и выходного фильтров стабилизатора с повышаьащим силовым каскадом. Реализация устройства управления не вызывает затруднений, так как все его блоки могут быть вытЕОлнены на типовых микросхемах.

Формула изобретения

1, Способ управления импульсным стабилизатором постоянного напряжения с последовательным включением накопительного дросселя и диода и параллельным включением силового ключа основанньй на широтно-импульсной модуляции сигнала управления с5-зловым ключом при неизменном периоде модуляции и измерении текущих значений входного напряжения U, и выходного напряжения Uj, отличающи й- с я тем, что, с целью повышения качества стабилизации выходного напряжения в переходном рекиме, дополнительно измеряют текугще значения

тока на грузки „, вычисляют

I Н и

и

тока дросселя 1ц и

по формуле I.(Т) ь

терминальное значение тока дросселя в тактовые моменты времени, в начале каждого периода модуляции производят отпирание сипового ключа, если он до этого был заперт; дпя текущего мо- мента времени по значению тока дросселя вычисляют значение ампер-секунд- ной площади тока через диод при условии, что в этот момент времени силовой ключ запирается, а его последующее отпирание прюизводится так, чтобы ток дросселя в конце периода модуляции был равен вычисленному терминальному значению, сравнивают полученное значение указанной ампер-са- площади с сигналом управления и в момент их равенства производят запирание силового ключа, угосле чего измеряют текущее значение ампср- секундной площади тока через диод, сравнивают это значение с сигналом управления и в момент их равенства производят отпирание силового ключа. 2. Способ по п. 1, о т л и .4 а - ю щи и с я тем, что, с целью повышения качества стабилизации при из- тока нагрузки, в каждый момент времени формируют сигнал, пропорциональный значению ампер-секундной площади тока нагрузки за текущий период модуляции, и этот сигнал суммируют с сигналом управления,

Д4 с -Ф

Х--Х