Синхронизация частоты преобразования унифицированных модулей питания c ШИМ-контроллером внешним синхросигналом

Разработка систем вторичного электропитания (СВЭП), в которых составляющие их преобразователи работают в режиме синхронизации частоты, ведётся давно и уже без особых трудностей. Зная заранее диапазон частот синхросигнала, его форму и амплитуду, разработчик подбирает схемотехнику узлов преобразователя, при которой обеспечивается эффективная работа ключей, не возникает условий для замагничивания магнитопроводов трансформаторов и дросселей.

Реализация же СВЭП на основе унифицированных модулей питания (МП) в режиме синхронизации частоты преобразования, наоборот, сопряжена с определёнными проблемами. При разработке унифицированных рядов МП моточные компоненты рассчитываются на конкретную частоту преобразования, изменение которой чревато увеличением тока подмагничивания, потерь на перемагничивание, насыщением магнитопроводов. Доработка таких МП внесением в схему устройства синхронизации частоты преобразования ведёт к увеличению высокочастотных выбросов напряжения и динамических потерь в ключах преобразователя, снижению КПД и надёжности. Поэтому разработчики унифицированных МП не любят этого режима работы, да и вообще не любят «пускать» в свою разработку «чужие» управляющие сигналы во избежание проблем и отказов. Ведь потребитель может подать и «не тот сигнал». И если узел синхронизации всё же необходимо вводить, то его схемотехника и алгоритм работы должны обеспечивать надёжную работу МП при всех возможных сигналах на управляющих выводах. Проанализируем возможности, которые предоставляют интегральные ШИМ-контроллеры для реализации режима синхронизации частоты преобразования.

Контроллеры первого поколения вообще не имеют специального вывода для синхронизации [1]. Точку подключения этого сигнала необходимо получать искусственно добавлением в схему дополнительных электрорадиоэлементов (ЭРИ). Более «продвинутые» микросхемы уже имеют специальный вход, но также требуют дополнительных ЭРИ для реализации этого режима [1].

Современные ШИМ-контроллеры не продвинулись в этом вопросе дальше [2]. И те, и другие имеют одни и те же особенности организации режима синхронизации, а именно:

Учитывая вышеперечисленные особенности и недостатки, разработаны алгоритм работы и схемотехника узла синхронизации (УС), не только обеспечивающие надёжную работу МП, но и защищающие его от некорректных входных управляющих сигналов. Структурная схема УС показана на рисунке 1.

Преобразователь с УС работает в двух режимах:

Под корректным сигналом понимается сигнал заданной амплитуды, формы и допустимого диапазона частот. При выполнении этих условий узел синхронизации работает следующим образом. Управляющий сигнал поступает на вход преобразователя «частота-напряжение» f/U. Статическая передаточная характеристика преобразователя f/U графически выглядит так, как показано на рисунке 2.

Она может быть линейная либо нелинейная (выпуклая, вогнутая). Требование одно – она должна быть однозначная и стабильная, не изменяющая свои характеристики от температуры, напряжения питания и пр. В данном случае с увеличением частоты управляющего сигнала пропорционально увеличивается выходное постоянное напряжение преобразователя f/U. Выходное напряжение преобразователя поступает в узел компарато-ров К для определения частоты управляющего сигнала. Компараторы настроены на 2 значения напряжения: меньшее по значению напряжение – напряжение захвата U_З – соответствует минимальному значению частоты f_З допустимого диапазона внешнего синхронизирующего сигнала, большее по значению напряжение – напряжение отпускания U_О – максимальному значению частоты f_О допустимого диапазона сигнала.

Сигналы с выходов компараторов К обрабатываются логическим устройством ЛУ, на вход которого приходит в том числе и управляющий синхросигнал. Если его частота находится в допустимом диапазоне, на выход ЛУ проходит напряжение с частотой синхронизации f_С внешнего сигнала, которое подаётся на вход синхронизации ШИМ-компаратора. Если частота синхронизирующего сигнала находится вне допустимого диапазона, выход ЛУ блокируется и ШИМ-компаратор работает на собственной рабочей частоте преобразователя f_Р, находящейся примерно в середине диапазона f_З–f_О. Описанный алгоритм гарантирует работу преобразователя в ограниченном, разрешённом разработчиком, «корректном» диапазоне частот. Результирующая статическая передаточная характеристика УС с учётом описанного алгоритма работы ЛУ представлена на рисунке 3.

На основе описанного «идеального» алгоритма работы реализовано устройство синхронизации. При практической реализации узлов УС параллельно решались вопросы помехоустойчивости. На рисунке 4 показана функциональная схема УС, где это обстоятельство нашло отражение.

Входной управляющий сигнал полезно подавать через развязывающий трансформатор Тр. Это позволит, если потребуется, заземлить нужный вход синхронизации в нужной точке и исключить помехи от силовых цепей. Кроме того, трансформатор позволяет при необходимости просто форматировать и инвертировать сигнал. Входным сигналом служит переменное напряжение прямоугольной формы.

Преобразователь «частота-напряжение» реализован на основе одновибратора Од с триггером Шмитта на входе. Наличие гистерезиса повышает «прямоугольность» и устраняет шумовую составляющую входного сигнала. Сигналы на выходе триггера либо нормализованы по амплитуде и форме, либо отсутствуют.

На выход Од подключён фильтр низкой частоты ФНЧ. Каждый передний фронт сигнала на входе Од запускает его. Длительность импульса на выходе Од всегда постоянна. Импульсы с выхода Од поступают в ФНЧ, где сигнал интегрируется и сглаживается. На выходе ФНЧ действует постоянное напряжение U_f/U, определяемое из выражения:

U_f/U = U_ОД×К_З,  
К_З = t_И×f_C,

где U_ОД – выходное напряжение Од во время импульса t_И; К_З – коэффициент заполнения; t_И – длительность импульса на выходе одновибратора Од; f_C – частота сигнала синхронизации.

Поскольку длительность выходного импульса Од всегда постоянна, с ростом частоты f_C увеличивается коэффициент заполнения К_З и, следовательно, постоянное напряжение на выходе ФНЧ. Сигнал с выхода ФНЧ поступает в узел компараторов К. Для устойчивой работы в зоне пороговых напряжений U_З и U_О каждый из них охвачен положительной обратной связью, глубина которой определяет гистерезис в зоне частот входа в режим синхронизации f_З и выхода из него f_О. С учётом этого статическая передаточная характеристика УС деформируется и в реальном УС выглядит, как показано на рисунке 5.

Работа в УС происходит следующим образом. При увеличении частоты синхросигнала захват в режиме синхронизации происходит при частоте f_З – на графике рисунка 5 движение идёт слева направо по траектории зелёного цвета. Если в сигнале присутствует небольшая девиация частоты, это на работе УС не отражается, так как гистерезис компаратора К_З удерживает УС в режиме синхронизации до тех пор, пока изменение (уменьшение) частоты не достигнет значения f_З¢. Сигналы на выходах компараторов К_З и К_О декодируются дешифратором ДС логического узла ЛУ так, что разрешает прохождение синхросигнала через элемент И – ШИМ-контроллер преобразователя работает на частоте синхросигнала.

При увеличении частоты синхросигнала выход из режима синхронизации происходит при частоте f > f_О. Устройство переходит в режим работы на рабочей частоте f_Р, независимо от того что на входе синхронизации присутствует сигнал, корректный по форме и амплитуде, но уже некорректный по частоте_. При этом сигналы на выходах компараторов К_З и К_О декодируются ДС так, что блокируется прохождение синхросигнала через элемент И – на выходе УС сигнал устанавливается в состояние, при котором управляемый ШИМ-контроллер преобразователя переходит в режим работы на собственной рабочей частоте.

При уменьшении частоты синхросигнала возврат в режим синхронизации происходит на частоте f_О′ < f_О, так что небольшая девиация частоты на работу УС также не влияет. Теперь при уменьшении частоты синхросигнала движение на графике рисунка 5 будет происходить справа налево по траектории красного цвета. Выход из режима синхронизации произойдёт на частоте f_З′ < f_З – на выходе УС сигнал устанавливается в состояние, при котором управляемый ШИМ-контроллер преобразователя переходит в режим работы на собственной рабочей частоте.

На основе описанного алгоритма разработана схема устройства синхронизации и опробована в работе на модулях серии МДМ240(480)-ЕП [3]. УС допускает подачу синхросигнала с частотой f_С = (0,9…1,1)´f_Р. За пределами этого диапазона модули питания автоматически переходят в режим работы на собственной рабочей частоте.

Литература