Введение к работе
Актуальность проблемы. При разработке современных устройств вычислительной техники и систем управления особое внимание должно уделяться проектированию источников вторичного электропитания (ИВЭП), так как от качества питающего напряжения зависят важнейшие качественные показатели, а зачастую и работоспособность всей системы в целом. В настоящее время существует обширный класс специализированных микросхем, используемых в ИВЭП и подразделяющихся на интегральные стабилизаторы напряжения постоянного тока (ИСН) и микросхемы управления импульсными ИВЭП.
Высокие требования к стабильности выходного напряжения предъявляются ИВЭП опорных частотозадающих генераторов, цифро-аналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП) преобразователей, процессоров, модулей динамической памяти, микроконтроллеров. В таких случаях ИСН оказываются практически незаменимыми, поскольку импульсные ИВЭП по динамическим характеристикам уступают устройствам электропитания с непрерывным режимом работы
Постоянное повышение требований к точности, быстродействию и надежности современных микропроцессорных систем вызывает необходимость совершенствования ИВЭП. Например, при числе разрядов 10 и более максимальная инструментальная погрешность АЦП не может быть меньше абсолютной нестабильности источника опорного (эталонного) напряжения (ИОН). Другой пример: уменьшение значения выходного напряжения ИСН (у современных быстродействующих процессоров напряжение питания ядра составляет порядка 1.5 Вольт) даже при тех же требованиях к относительной стабильности приводит к необходимости снижения выходного сопротивления и абсолютной нестабильности выходного напряжения ИСН.
Ведущие зарубежные производители электронных компонентов, основываясь на использовании новейших технологий, предлагают серии ИСН, отличающихся низким падением напряжения вход-выход (LDO), некритичностью к значению емкости нагрузки (Any САР), применением мощных полевых транзисторов (XFET). В то же время еще не полностью исчерпаны ресурсы схемотехнических способов улучшения качественных показателей ИСН.
Традиционные пути решения задачи повышения коэффициента стабилизации по входному напряжению и снижения нестабильности по току нагрузки заключаются в увеличении петлевого усиления, повышении стабильности источника опорного напряжения, снижении коэффициента прямой передачи входного напряжения на выход стабилизатора и
уменьшении выходного сопротивления при разомкнутой петле обратной связи. Однако они уже достигли предела своих возможностей, и дальнейшее движение в данном направлении приводит к ухудшению энергетических и динамических параметров ИСН.
Существуют также способы повышения стабильности выходного напряжения при возмущениях со стороны входа и нагрузки, основанные на введении помимо общей отрицательной обратной связи прямой компенсирующей связи со входа на выход стабилизатора напряжения (так называемой связи "вперед") и применении в схеме стабилизатора местных положительных обратных связей (ПОС). Однако по различным причинам они не находят широкого применения, так как требуют точной настройки, и при этом условия настройки неодинаковы для быстрых и медленных изменений возмущающих воздействий, или же стабилизаторы оказываются потенциально неустойчивыми.
С учетом вышеизложенного особую актуальность приобретает проблема разработки новых схемотехнических решений ИСН, обеспечивающих высокую стабильность выходного напряжения при воздействии различных дестабилизирующих факторов, основными из которых являются изменения входного напряжения стабилизатора, тока нагрузки и температуры.
Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методов функционального построения и схемотехнического проектирования высокостабильных ИСН за счет применения различных прямых и обратных связей.
Достижение поставленной цели предполагает решение следующих основных задач:
-
исследование существующих и разработка новых методов применения ПОС в СН, основанных на использовании двухполюсников с отрицательным дифференциальным сопротивлением и введении ПОС по току нагрузки;
-
анализ структурных и функциональных схем СН со связью «вперед» и разработка на его основе методики синтеза компенсирующей цепи, применение которой позволяет улучшить точностные параметры существующих и вновь разрабатываемых стабилизаторов;
-
исследование динамических режимов работы СН с прямыми и обратными связями с целью определения основных параметров, характеризующих качество работы стабилизаторов в переходных режимах и синтеза корректирующих цепей, обеспечивающих устойчивость и приемлемые динамические характеристики.
Основные методы исследования. В теоретической части работы использованы методы линейного анализа электронных схем с при
влечением теории автономного многополюсника. Экспериментальные исследования выполнены на лабораторных макетах и на ЭВМ с помощью пакета прикладных программ схемотехнического моделирования PSPISE.
Новые научные результаты:
1 Разработаны методы проектирования стабилизаторов напря
жения с ПОС по току нагрузки, на основе анализа полученных аналити
ческих выражений показаны преимущества предлагаемых методов перед
существующими, заключающиеся в снижении параметрической зависи
мости условий настройки и упрощении технологии изготовления ИСН.
-
Разработана методика синтеза и настройки компенсирующей цепи при использовании связи "вперед". Впервые получены обобщенные аналитические выражения условий настройки компенсирующей цепи, учитывающие место подачи компенсирующего воздействия, схему включения транзисторов в регулирующем элементе, выходное сопротивление усилителя постоянного тока и способ питания ИОН.
-
Впервые проведен сопоставительный анализ динамических параметров классического стабилизатора напряжения и стабилизатора напряжения со связью "вперед", в результате которого получены аналитические выражения и номограммы, показывающие, что применение компенсирующей связи позволяет уменьшить амплитуду выброса и сократить длительность переходного процесса на выходе ИСН при возникновении возмущений на входе.
-
Впервые получены соотношения, позволяющие осуществить выбор параметров предложенных корректирующих цепей, обеспечивающих устойчивость стабилизаторов с обратной связью по току нагрузки, причем предлагаемые корректирующие цепи не ухудшают статическую точность ИСН.
Практическая ценность работы.
і Применение комбинированных связей позволяет существенно снизить влияние основных дестабилизирующих факторов на режимы работы прецизионных узлов ИСН и, следовательно, расширить его эксплуатационные возможности.
-
Предложенные способы построения двухполюсников с отрицательным дифференциальным сопротивлением позволяют при использовании стандартной биполярной технологии создавать устройства с заданными типами ВАХ и значениями отрицательного дифференциального сопротивления, слабо зависящими от параметров активных компонентов.
-
Использование результатов проведенных исследований позволяет обеспечить разработку ИСН, превосходящих по значениям ос-
новных качественных показателей существующие, без дополнительных затрат на освоение новых микроэлектронных технологий
Внедрение результатов работы. Диссертационная работа выполнялась в рамках госбюджетных научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре «Радиотехника» Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса в 1995—2000 гг., в соответствии с приоритетными направлениями развития науки и техники по разделу «Информационные технологии и электроника», утвержденных Правительственной комиссией по научно-технической политике 21 июля 1996г. за №2727п-П8.
Результаты диссертационной работы внедрены и используются в промышленности. Акты, подтверждающие внедрение и использование результатов диссертационной работы в промышленности и учебном процессе, приведены в диссертации.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на следующих конференциях:
Второй Всероссийской научной конференции "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления", Таганрог, ТРТУ, ноябрь 1994г.
Третьей Всероссийской научной конференции "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления", Таганрог, ТРТУ, октябрь 1996г.
Всероссийской научной конференции "Радиоэлектроника, микроэлектроника, системы связи и управления", Таганрог, ТРТУ, октябрь 1997г.
- Ежегодных научно-технических конференциях преподавателей и
сотрудников ДГАС (1995-1999гг.) и ЮРГУЭС (1999-2000гг.)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 пе
чатных работ /1-14/ и получено четыре патента РФ /15-18/. Десять из
указанных работ опубликовано в центральных изданиях /1-3, 5, 6, 13,
15-18/.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 102 наименования, и приложений. Работа изложена на 147 страницах машинописного текста, иллюстрированного рисунками.
Похожие диссертации на Методы схемотехнического проектирования интегральных стабилизаторов напряжения с комбинированными связями для микропроцессорных систем
