РЫНОК6 Компания «Радиант-Элком»: качество, надеж-ность, совершенствование

РАЗРАБОТКА И КОНСТРУИРОВАНИЕ10 Виктор Александров

Как снизить электромагнитные помехи при проек-тировании?

14 Николай Клюквин

Внутрисхемный и функциональный контроль: с фактами не поспоришь

СВЕТОТЕХНИКА И ОПТОЭЛЕКТРОНИКА18 Илья Петров

Новые подходы к регулировке яркости и управле-нию светодиодами

27 Рич Роузен

Методы регулировки яркости для импульсных драйверов светодиодов

30 Мэт Дирджиш

На подходе — светодиодное освещение

34 Андрей Конопельченко

Новые DC/DC-драйверы светодиодов от компании PEAK Electronics

37 Дон Тьют

Проектирование контроллеров для регулировки яркости светодиодов

АНАЛОГОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ39 Александр Щеглов

Точные измерения аналоговых сигналов в системах сбора данных

46 Реза Могими

Операционные усилители с нулевым дрейфом

50 Кевин Треттер

Архитектуры прецизионных операционных усилителей

54 Дэйв Ван Эсс

Как построить собственный ВЧ-фильтр без конден-сатора

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ56 Дэвид Рут

X-параметры: коммерческие реализации послед-них технологий предлагают новые решения для повседневных задач

журн

ал дл

я раз

рабо

тчи

ков

Эл

ек

тр

он

ны

е к

ом

по

не

нт

ыРуководитель направления «Разработка электроники» и главный редактор Леонид Чанов; ответственный секретарь Марина Грачёва;редакторы: Елизавета Воронина; Виктор Ежов; Екатерина Самкова; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; редакционная коллегия: Валерий Григорьев;Борис Рудяк; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; реклама: Антон Денисов; Ольга Дорофеева; Елена Живова; распространение и подпис-ка: Марина Панова, Василий Рябишников; вёрстка, дизайн: Александр Житник; Михаил Павлюк; директор издательства: Михаил Симаков

Адрес издательства: Москва,115114, ул. Дербеневская, д. 1, п/я 35тел.: (495) 741-7701; факс: (495) 741-7702; эл. почта: info@elcp.ru, www.elcp.ru

ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА: Мир электроники (Самара): 443080, г. Самара, ул. Революционная, 70, литер 1; тел./факс: (846) 267-3139, 267-3140; е-mail: info@eworld.ru,www.eworld.ru. Радиоэлектроника: 620107, г. Екатеринбург, ул. Гражданская, д. 2, тел./факс: (343) 370-33-84, 370-21-69, 370-19-99; е-mail: info@radioel.ru, www.radioel.ru. ЭЛКОМ (Ижевск): г. Ижевск, ул. Ленина, 38, офис 16, тел./факс: (3412) 78-27-52, е-mail: office@elcom.udmlink.ru, www.elcompany.ru.ЭЛКОТЕЛ (Новосибирск): г. Новосибирск, м/р-н Горский, 61; тел./факс: (3832) 51-56-99, 59-93-31; е-mail: info@elcotel.ru, www.elcotel.ru.Издательство «Электроника инфо» (Минск): 220015, г. Минск, прз. Пушкина, 29 Б; тел./факс: +375 (17) 251-6735; е-mail: electro@bek.open.by, electronica.nsys.by.IMRAD (Киев): 03113, г. Киев, ул. Шутова, д. 9, оф. 211; тел./факс: +380 (44) 495-2113, 495-2110, 495-2109; е-mail: imrad@tex.kiev.ua, www.imrad.kiev.ua

Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory». Ис поль зо ва ние ма те ри а лов воз мож но толь ко с со гла-сия ре дак ции. При пе ре пе чат ке ма те ри а лов ссыл ка на жур нал «Эле к трон ные ком по нен ты» обя за тель на. От вет ст вен ность за до сто вер ность ин фор ма ции в рек лам ных объ яв ле ни ях не сут рек ла мо да те ли.

Индекс для России и стран СНГ по каталогу агентства «Роспечать» — 47298, индекс для России и стран СНГ по объединенному каталогу «Пресса России. Российские и зарубежные газеты и журналы» — 39459. Свободная цена. Издание зарегистрировано в Комитете РФ по печати. ПИ №77-17143.

Подписано в печать 07.04.2011 г.

Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 4000 экз.

Изготовлено ООО «Группа Море». г. Москва, Хохловский пер., д. 9. Тел.: +7 (495) 917-80-37.

содержание

№3/2011

www. elcp.ru

4

СО

ДЕ

РЖ

АН

ИЕ

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА И СИСТЕМЫ66 Дэйв Айленд, Дмитрий Гинькин

Новые осциллографы серии MSO/DPO 5000 — рас-ширенные возможности по измерению мощности

АЦП И ЦАП72 Мартин Мэйсон

Снижение стоимости современных систем монито-ринга электросетей с помощью высокопроизводи-тельных АЦП с одновременной выборкой

ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ76 Максим Соломатин

Дискретные HiRel-компоненты компании International Rectifi er. Технология и применение

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ И DSP85 Геннадий Винин

MIPS или ARM?

88 Владимир Бродин, Вадим Семенов

Модуль TE-STM8S208 на микроконтроллере для ответственных применений

92 Джафер Меджахед, Роман Попов

STM32 — капитан команды Cortex-M3

МИКРОСХЕМЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ97 Масахи Ногава, Кайл Ван Рентергем

Широкополосные LDO-регуляторы с высоким уров-нем подавления пульсаций

103 Юрий Новиков, Максим Соломатин

Разработка полумостового резонансного преобра-зователя на основе IRS2795

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ113 Андрей Иванов

Оптоволоконные разъемы компании Amphenol для сложных условий эксплуатации

СТАНДАРТНЫЕ ЦИФРОВЫЕ

МИКРОСХЕМЫ И ПАМЯТЬ116 Владимир Белый, Виктор Козловский, Денис Третьяк

Микросхема энергонезависимой памяти IN24AA64

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА122 Пол Лэйси

Проектирование снабберных схем

127 НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ НА

РОССИЙСКОМ РЫНКЕ

СО

ДЕ

РЖ

АН

ИЕ

5

Электронные компоненты №3 2011

contents # 3 / 2 0 1 1

E LEC TRO N I C COM PO N E NT S #3 2011

MARKET6 Radiant-Elcom: Quality, Reliability and Development. Interview

DESIGN AND DEVELOPMENT10 Victor Alexandrov

Decreasing EMI in System Designing

14 Nikolay Klukvin

In-circuit Testing: Facts are Stubborn

LIGHTING AND OPTOELECTRONICS18 Ilya Petrov

New Approaches to LED Dimming and Control

27 Rich Rosen

Dimming Techniques for Switched Mode LED Drivers

30 Mat Dirjish

LED Lighting Waits in The Wings

34 Andrey Konopelchenko

New DC/DC LED Drivers from PEAK Electronics

37 Don Tuite

LED Dimming ICs Demonstrate Design Challenges

ANALOG39 Alexander Shcheglov

Maintaining Accuracy with Small Magnitude Signals in Data Acquisition

46 Reza Moghimi

Zero-Drift Operational Amplifi ers

50 Kevin Tretter

Precision Op Amp Architectures

54 Dave Van Ess

Build Your Own Capacitor-Free High Pass Filter

WIRELESS56 David Root

X-Parameters: Commercial Implementations of the Latest Technology Enable Mainstream Applications

TEST and MEASUREMENT66 Dave Ireland, Dmitry Ginkin

Extended Features of New MSO/DPO 5000 Series Oscilloscopes for Measuring Power

ADC and DAC72 Martin Mason

Reduce System Cost for Advanced Powerline Monitoring by Leveraging High-Performance, Simultaneous-Sampling ADCs

DISCRETE POWER76 Maxim Solomatin

Discrete HiRel Components from International Rectifi er. Technology and Application

MCU AND DSP85 Gennady Vinin

MIPS or ARM?

88 Vladimir Brodin and Vadim Semyonov

TE-STM8S208 Module on Microcontroller for Critical Applications

92 Jaff er Medjahed and Roman Popov

STM32 – Team Leader of Cortex-M3!

POWER ICs97 Masashi Nogawa and Kyle L. Van Renterghem

Wide Bandwidth PSRR of LDOs

103 Yury Novikov

Designing Half-Bridge Resonance Converter Based on IRS2795

PASSIVE113 Andrey Ivanov

Optical Fiber Connectors from Amphenol for Hard Conditions

COMMON DIGITAL ICs and MEMORY116 Vladimir Bely, Victor Kozlovsky and Denis Tretyak

IN24AA64 Nonvolatile Storage

THEORY and PRACTICE122 Paul Lacey

Clamp Sizing Protection

127 NEW COMPONENTS IN THE RUSSIAN

MARKET

6

РЫ

НО

К

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Если задаться целью кратко представить компанию «Радиант-Элком»,

то, в первую очередь, на ум приходят такие характеристики как широ-

кий ассортимент продукции и ее высокое качество, надежность поста-

вок и долгосрочное партнерство, стремление к совершенствованию и

дальнейшему развитию. Эти составляющие обеспечивают достаточно

уникальное положение компании на рынке электроники. Мы встрети-

лись с Андреем Кузнецовым, генеральным директором «Радиант-Элкома»,

чтобы узнать, как работается этой компании после кризиса, что проис-

ходит на рынке дистрибуции электронных компонентов, какие цели она

перед собой ставит.

КОМПАНИЯ «РАДИАНТ-ЭЛКОМ»:

КАЧЕСТВО, НАДЕЖНОСТЬ,

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ

— Расскажите о компании — исто-

рии ее возникновения, численности

сотрудников, деятельности.

— Мы работаем на рынке электрон-

ных компонентов с 1993 г., т.е. более 18

лет. За этот период мы прошли этапы

развития и становления от предприя-

тия, которое представляет продукцию

одного бренда, до компании, имеющей

множество дистрибьюторских согла-

шений с российскими и зарубежными

производителями электронных ком-

понентов. Наш основной принцип —

предлагать широкую номенклатуру

различных компонентов высокого

уровня надежности для специальных

условий применения.

Исторически основой компании

является структура, занимающаяся

дистрибуцией. В последнее время

мы стали расширять бизнес за счет

сопредельных областей деятельности.

У нас появилось такое направление

как поставка технологических мате-

риалов и оборудования, предостав-

ление фаундри-услуг и сервиса. Одно

из наших подразделений занимается

поставкой измерительных приборов и

оборудования для обеспечения элек-

тромагнитной совместимости. У нас

также создан и работает дизайн-центр,

в задачи которого входят разработ-

ка и проектирование импортозаме-

щающих компонентов. Число наших

сотрудников растет, в основном, за

счет привлечения высококвалифици-

рованных специалистов. В настоящее

время в компании работают 120 чело-

век. Средний возраст сотрудников —

35 лет.

— Расскажите, пожалуйста, под-

робнее о фаундри-услугах.

— Мы работаем с большим количе-

ством производителей компонентов

из России и стран СНГ и в полной

мере ощущаем проблемы, с которыми

сталкиваются эти предприятия: отсут-

ствие качественных технологических

материалов (подложек, керамики,

герметиков, стекла), различного тех-

нологического оборудования и т.д. У

нас заключены соглашения с несколь-

кими специализированными произво-

дителями фаундри-услуг. Мы обеспе-

чиваем технологическую поддержку

предприятиям, которые планируют

изготовление новых изделий, но не

имеют возможностей для их производ-

ства в России, от размещения заказов

до получения кристаллов у произво-

дителей.

— На сайте компании говорится о

том, что вы изготавливаете разъемы,

в т.ч. высокочастотные.

— Все решения подсказывает жизнь

и опыт. Мы позиционируем себя как

комплексного поставщика электрон-

ных компонентов и стараемся вникать

в проблемы своих потребителей. Такой

подход позволил нам увидеть, что

существует потребность в малогаба-

ритных радиочастотных соединителях,

которые не выпускаются отечественны-

ми производителями. И мы направили

свои усилия на создание дизайн-центра

и организацию производства.

Мы разрабатываем комплект кон-

структорской и технологической доку-

ментации, обеспечиваем организацию

производства. В случае необходимо-

сти производим закупку недостающе-

го оборудования, в т.ч. прецизионного

для механообработки и герметизации.

В настоящее время мы изготавливаем

опытные образцы, которые отправляем

на апробацию заказчикам.

— У вас солидный дизайн-центр?

— Задачи, которые мы ставим перед

своим центром, достаточно сложные.

Для их решения мы, в первую очередь,

ориентируемся на штатных сотрудни-

ков, а при необходимости прибегаем

к аутсорсингу. Все требует профессио-

нального подхода. Наша работа осно-

вывается на глубоком анализе потреб-

ностей клиентов, которыми являются

крупные оборонные заводы, предпри-

ятия атомной энергетики, транспорта,

космической, нефтегазовой отрасли.

В настоящее время одной из острых

проблем является импортозамеще-

ние, поэтому в наших планах — раз-

работка нескольких типов специали-

зированных интегральных микросхем

и СВЧ-компонентов. Мы также прини-

маем участие в финансировании раз-

работок, проводимых российскими

предприятиями-изготовителями элек-

тронных компонентов.

— Дистрибьюторская деятель-

ность и проектирование — разные

виды бизнеса. Насколько независимы

эти подразделения в вашей компа-

нии?

— Это один бизнес, т.к. проектиро-

вание и разработка — новое направ-

ление для «Радиант-Элкома». В нем уча-

ствуют наши технические специалисты,

конструкторы, технологи и партнеры

по производству.

— Такое совмещение разных видов

деятельности — следование моде или

необратимый процесс, который будет

развиваться и в дальнейшем?

— Все крупные компании, занимаю-

щиеся дистрибуцией, в дальнейшем

идут по пути расширения сфер дея-

тельности. Каждая компания выстра-

ивает свою стратегическую модель

развития бизнеса: кто-то создает

контрактное производство, кто-то —

дизайн-центры, а кто-то — испыта-

тельную лабораторию. На мой взгляд,

РЫ

НО

К

7

Электронные компоненты №3 2011

это нормальная тенденция развития.

Если какие-то компании могут зани-

маться профессионально и дистрибу-

цией, и контрактным производством,

то почему бы и нет?

Наша компания идет по пути раз-

вития дистрибуции за счет развития

смежных областей и предоставления

дополнительных услуг, создания цен-

тра проектирования и организации

производства. Мы стараемся делать это

на высоком профессиональном уров-

не. Например, вы знаете, сейчас очень

актуален вопрос обеспечения электро-

магнитной совместимости электрон-

ных устройств. Наши специалисты

предлагают решение данной проблемы

еще на этапе создания опытного образ-

ца. Безусловно, для этого необходима

команда высококвалифицированных

конструкторов, технологов, метро-

логов и других специалистов. И у нас

такая команда есть.

— Много ли у вас заказчиков? Как

вы находите новых?

— У нас более 1000 самых разных

заказчиков, начиная с крупнейших

корпораций и заканчивая небольши-

ми частными предприятиями. Могу

сказать, что мы одинаково ценим всех

своих клиентов. Новые потребители

приходят к нам, получая информацию

из рекламы в печатных изданиях, техни-

ческих статьях, на выставках. Особенно

ценно то, что много новых потреби-

телей начинает работать с «Радиант-

Элкомом» после участия в технических

семинарах, которые мы регулярно про-

водим как в офисе, так и в других горо-

дах. Именно там специалисты получают

наиболее полную техническую инфор-

мацию.

— Предприятия, с которыми вы

работаете, живут, в основном, за счет

госзаказа?

— Едва ли у нас можно прожить на

одних государственных заказах. Но

большинство наших клиентов рабо-

тает именно в этой области. Сейчас

получение заказов и заключение кон-

трактов у большинства потребите-

лей проходит на конкурсной основе

в соответствии с правилами рыноч-

ной экономики, но, как это бывает в

нашей стране, никто не задумывается

ни о сроках производства, ни о сро-

ках финансирования. Часто бывает,

что для выполнения контракта в срок

комплектацию по нему необходимо

разместить на предприятиях и опла-

тить за два-три месяца до подписания

контракта. В этой ситуации такие ком-

пании как «Радиант-Элком» исполня-

ют роль буфера. Мы аккумулируем

поступающие заказы от потребителей,

заранее размещаем их на заводах-

изготовителях, обеспечивая плани-

рование производства, финансируем

эти заказы, а затем осуществляем

поставку продукции потребителям,

причем по ценам производителей и

с соблюдением жестких требований

по качеству поставляемой продукции.

Такая работа возможна, если ваша

организация — крупная оптовая ком-

пания, если вы — дилер нескольких

предприятий, если вы обладаете зна-

чительными финансовыми возможно-

стями, если система качества и систе-

ма управления находятся на высоком

профессиональном уровне.

— Насколько заметно сказался

кризис на деятельности компании?

Снизилась ли численность персо-

нала?

— В кризисе нет ничего хорошего.

Он ударил и по рынку электронных

компонентов, но, как и в любом деле, у

всего есть свои положительные сторо-

ны. Кризис помог пересмотреть и изме-

нить структуру предприятия, функции

и задачи подразделений и отдельных

сотрудников, распределение ресур-

сов, а также переосмыслить бизнес-

процессы. Безусловно, он способство-

вал повышению эффективности нашей

работы, т.к. пришлось провести серьез-

ный анализ и даже отказаться от неко-

торых сотрудников, которые, фактиче-

ски, являлись балластом.

— Россия, очевидно, вступит в ВТО.

На рынок электронных компонентов

уже приходят глобальные дистри-

бьюторы. Как с ними уживутся рос-

сийские компании?

— Безусловно, российский рынок

становится все более привлекатель-

ным. Приход глобальных дистрибью-

торов на локальные рынки неизбежен

и, действительно, представляет угро-

зу для бизнеса, прежде всего, компа-

ниям, которые выполняют аналогич-

ные функции на российском рынке.

Перераспределение долей рынка про-

исходит и будет происходить, на то она

и рыночная экономика. Но специфи-

ка работы на российском рынке — в

существовании очень глубокой связи

с потребителем, в знании специфики

его работы, в чем, безусловно, гло-

бальные дистрибьюторы уступают

локальным компаниям. Поскольку

«Радиант-Элком» занимается ком-

плексными поставками отечественных

и импортных компонентов, я не вижу

большой опасности для нас, потому

что еще ни один глобальный дистри-

бьютор не заинтересовался продук-

цией отечественных производителей.

Во всяком случае, мне такие примеры

неиз вестны.

— «Радиант» — единственная ком-

пания, в поставках которой так широ-

ко представлены российские про-

изводители. Чем обусловлен такой

выбор?

— Да, наша программа поставок

уникальна для российского рынка ЭК.

Мне не известен другой дистрибутор, у

которого были бы так же широко пред-

ставлены и отечественные, и импорт-

ные компоненты. На данный момент

это наше большое преимущество, т.к.

очень большой процент потребителей

использует смешанную комплектацию

и нуждается в комплексных поставках

как отечественных, так и импортных

компонентов. Мы развивались вместе

со своими клиентами, мы органично

чувствовали изменение потребностей

их производств. Но, самое главное,

в нашей компании благодаря опыту

работы с отечественными производи-

телями была создана система каче-

ства, которая продолжает совершен-

ствоваться и реально работает при

поставке продукции независимо от

того, отечественного она или импорт-

ного производства.

Глубокое знание потребностей

клиентов приводит к развитию новых

направлений. Так, например, у нас воз-

никло направление упаковочных мате-

риалов и оборудования. Вы знаете, что

большинство приборостроительных

предприятий приобрело дорогостоя-

щее оборудование для автоматизиро-

ванного монтажа печатных плат, чтобы

полностью отказаться от ручного мон-

тажа. Однако выяснилось, что отече-

ственные компоненты, даже изготов-

ленные по международным стандартам

и предназначенные для поверхностно-

го монтажа, не имеют соответствую-

щей упаковки на ленте в катушки. Мы

провели анализ этого рынка, выбор

производителей и сейчас поставляем

производителям электронных компо-

нентов оборудование и упаковочные

материалы для автоматизированного

монтажа.

— Конкурентов у вас точно нет…

— Конкуренты у нас есть, и их много.

Но именно конкуренция способствует

поиску новых идей, решений, застав-

ляет постоянно совершенствоваться.

Мы стараемся развиваться не вширь, а

работать в нескольких направлениях,

в которых обладаем достаточным про-

фессионализмом, что и помогает нам в

конкурентной борьбе.

— Что Вы понимаете под терми-

ном «российская электроника»?

— Если кристалл изготовлен за

рубежом, помещен в импортный кор-

пус, протестирован на зарубежном

оборудовании, то понятно, что этот

компонент — зарубежного, а не рос-

сийского производства. В этом случае

в России только выполняется сборка

8

РЫ

НО

К

WWW.ELCOMDESIGN.RU

из импортных комплектующих. Если

же специализированные изделия или

компоненты разрабатываются отечест-

венными инженерами, пусть даже на

платформе западных компаний, можно

говорить уже о российской электро-

нике, и смысл в таком случае не в ее

названии, а в том, чтобы она заняла

достойное место на международном

рынке разделения труда.

— Наше государство заявило о

государственной поддержке россий-

ской электроники. Кого оно будет

поддерживать, по Вашему мнению?

— Я считаю, что меры по развитию

российского рынка электроники долж-

ны быть комплексными. Они должны

вырабатываться на основе глубокого

анализа многих факторов. Такого ком-

плексного подхода со стороны госу-

дарства я не вижу. В настоящее время

большинству предприятий приходится

рассчитывать только на собственные

силы.

— Как вы решаете вопрос с кадра-

ми, учитывая, что компания занима-

ется инженерной деятельностью?

— Инженерная деятельность для

нас очень важна. Наши технические

специалисты задействованы и в про-

движении компонентов, и в проектиро-

вании. Мы работаем с потребителями

уже на этапе проектирования, пред-

лагая комплексные решения. И, безу-

словно, качество решений напрямую

зависит от уровня специалистов. Выбор

претендентов на работу в компании

очень сложен, на это уходит много вре-

мени. У нас постоянно проходит набор

новых сотрудников, наши технические

специалисты проводят собеседова-

ния с кандидатами. Главное — увидеть

потенциал кандидата и желание учить-

ся, а затем уже вступает в дело наша

«кузница кадров».

— Есть ли планы развития группы

компаний на несколько лет вперед?

— Да, разработана перспективная

стратегия развития компании. Она не

содержит каких-либо количественных

показателей, т.к. многолетний опыт

работы на российском рынке показал,

что это неблагодарное занятие, но

основные принципы и направления

нашего развития определены четко. А

далее — работать, работать и рабо-

тать.

Интервью подготовили Леонид Ча-

нов и Владимир Фомичёв

СОБЫТИЯ РЫНКА

| «МИКРОСХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПИТАНИЕМ КОМПАНИИ ANALOG DEVICES» | Семинары под таким названием проводит в

городах России официальный дистрибьютор Analog Devices Inc. – компания «Элтех» совместно с представительством ADI в

России.

23 мая 2011 г. семинар пройдет в Санкт-Петербурге в конференц-зале «Петровский», конференц-центре «Буржуа», пл.

Чернышевского, д. 11 (ст. метро «Парк Победы», гостиница Россия).

27 мая 2011 г. в Ростове-на-Дону семинар будет проходить в конференц-зале торгово-офисного комплекса «Clover

House», ул. Текучева, №139/94 (4 этаж).

3 июня 2011 г. семинар пройдет в Екатеринбурге в конференц-зале «Вознесенский» гостиницы «Екатеринбург-

Центральный», ул. Малышева, д. 74, 2 этаж

В роли основного докладчика на семинарах выступит Фредерик Достал (Frederik Dostal), ведущий инженер компании

Analog Devices.

Программа семинара:

9:30 – 11:30 Session 1: DC/DC-преобразователи

Введение в импульсные регуляторы

Различные неизолированные топологии

Выбор внешних компонентов

Достижения в области цифрового управления питанием

Необычные топологии на примере сочетания SEPIC-Zeta

11:30 – 11:45 Перерыв

11:45 – 13:00 Session 2: Практические рекомендации

Как правильно измерить пульсации напряжения

Как правильно фильтровать вход и выход

Как правильно измерить КПД

Как измерить устойчивость петли при помощи осциллографа и генератора сигналов

Явление частоты биения

13:00 – 13:30 Кофе-брейк

13:30 – 15:00 Session 3: Разводка плат

Обнаружение путей протекания переменных токов

Примеры развязки шин питания

Как использовать площадки «питание» и «земля»

Критические контуры: цепь обратной связи, мягкий старт, настройка частоты

Примеры решений: неудачные против удачных

15:00 – 15:15 Перерыв

15:15 – 17:00 Session 4: Линейные стабилизаторы, cистемы управления питанием и средства проектирования

Как выбрать правильный линейный стабилизатор

Как обеспечить стабильность линейного стабилизатора

Достижения систем управления питанием

Online-средства проектирования от ADI

Примеры готовых решений от ADI /Лабораторные схемы

Краткий обзор новых решений от ADI

17:00 Комментарии – дополнительные обсуждения

Всем участникам семинара будет предоставлен комплект информационных материалов.

Начало регистрации участников в 9:00. Начало семинара в 9:30.

К участию в семинаре приглашаются специалисты заинтересованных компаний. Участие бесплатное, по предварительной

записи. Заполнить заявку можно на сайте: www.eltech.spb.ru.

www.elcomdesign.ru

9

Электронные компоненты №3 2011

НО

ВО

СТ

И

СОБЫТИЯ РЫНКА

| КОНФЕРЕНЦИЯ «СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА» | 24 марта 2011 г. в Москве прошла Третья Всероссийская конференция

«Силовая электроника», организованная медиагруппой «Электроника». Конференция собрала 170 участников. На нашем

интернет-сайте размещен подробный отчет о событии (www.elcomdesign.ru/news/news_230.html), поэтому повторяться мы не

будем, но попытаемся обнаружить основные тенденции развития российского рынка силовой электроники.

Конечно, делать глубокомысленные выводы на основании одной только конференции — занятие неблагодарное, но,

во-первых, это уже третье подобное событие за последние 4 года, а, во-вторых, мы постоянно следим за тенденциями как на

мировом, так и на отечественном рынках.

Сейчас во многих случаях во главу угла ставится энергосбережение. За счет совершенствования компонентов и решений

силовой электроники можно добиться экономии до 20—35% электроэнергии — цифра внушительная! Отсюда и интерес к

приложению.

Прогресс в силовой электронике вершится в основном за счет использования новых материалов и технологий, а не за

счет новых схемотехнических решений. Например, в Германии выделено 3 млн евро на совершенствование материалов и

технологий производства пассивных компонентов для силовой электроники. В производстве дискретных полупроводнико-

вых приборов продолжают укреплять свои позиции карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN). Компания CREE выпустила

первый коммерческий 1200-В MOSFET, на основе которого, используя также SiC-диод Шоттки, можно создать инвертор с

КПД = 99%!

До сих пор считалось, что вотчина GaN-приборов — приложения с максимально допустимым рабочим напряжением до

250 В. Но уже получен лабораторный образец, в котором достигнуто максимальное напряжение 1650 В. Можно долго пере-

числять разные технологические новации, но суть ясна: современный двигатель силовой электроники — инновационные

технологии и материалы.

Сказалась эта тенденция и на составе участников конференции. В пленарной части мы услышали доклады академика Игоря

Грехова, руководителя отделения твердотельной электроники ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН и Алексея Сурмы, начальника НТЦ ЗАО

«Протон-Электротекс». Первый рассказал о разработке новых силовых высоковольтных полупроводниковых приборов (тири-

сторов с полевым управлением и диодов с «мягким» восстановлением), которые после финишных испытаний и доработки

будут производиться на «ВЗПП-Микрон».

Алексей Сурма рассказал об опыте компании «Протон-Электротекс» — лидера российского рынка разработки и произ-

водства мощных полупроводниковых приборов: диодов, тиристоров, модулей на их основе. Компания выпускает широкий

спектр силовых тиристоров и диодов на напряжения 100…6500 В при средних токах в диапазоне 100…3000 А, а также боль-

шую номенклатуру модулей на базе диодных и тиристорных элементов в различных схемных конфигурациях. Интересно отме-

тить, что около 50% продукции компании экспортируется в Европу. Добавим, что в секции «Электропривод» Павел Новиков,

заместитель начальника отдела, «Электрум АВ», познакомил участников конференции с продукцией компании, большую часть

которой также составляют дискретные силовые приборы.

В докладе Алексея Рыбака, директора компании «Силовая электроника», специализирующейся на производстве источ-

ников питания, рассматривались не технические, а организационные вопросы. Он рассказал о проблемах использования

зарубежной элементной базы в отечественных источниках электропитания, о проблемах «вторых поставщиков». Из бесед

с другими представителями компаний-производителей источников питания можно было сделать вывод, что сколь-либо

существенных новшеств в схемотехнике преобразователей не происходит, что отчасти и подтверждает уже сделанный нами

вывод.

Об источниках питания для спецприменений шла речь и в докладе Вадима Дроздова, руководителя направления «Силовая

электроника» компании «ПетроИнТрейд». Он представил модули питания VPT для специального применения. Компания VPT

производит высоконадежную продукцию для космоса, авиации и военной техники, в т.ч. в соответствии с требованиями стан-

дарта MIL.

Сегодня многие зарубежные компании стремятся прийти или укрепить свое влияние на российском рынке. Известный

производитель источников питания TDK-Lambda — не исключение. Эрез Бар (Erez Bar), директор по продажам компании в

России и странах СНГ, рассказал о возможностях компании и привел классификацию производимых ею источников питания.

Светодиодная светотехника развивается стремительно, а источники питания — очень важная составляющая этого направ-

ления. Поэтому выступление Сергея Миронова, представителя компании «Компэл», рассказавшего о современных требо-

ваниях к источникам питания для светодиодных осветительных установок, вызвало много вопросов и стало поводом для

дискуссии о светодиодном освещении.

О проблемах энергосбережения шла речь и в докладе

инженера компании «Вектор НПФ» Павла Клюева, кото-

рый представил комплект устройств для систем «Умный

дом». Новые контроллеры коэффициента мощности ON

Semiconductor представил Петр Папица (Peter Papica),

инженер по применению. ON Semiconductor, демон-

стрирующая стремление к продвижению технологий

рационального энергопотребления, выпустила несколь-

ко новых ККМ-контроллеров, работающих в различных

режимах.

После основной части конференция продолжила работу

в двух секциях — «Источники питания и преобразователи»

и «Электропривод», где обсуждались актуальные вопросы

построения источников питания и комплексных решений

для управления электроприводом.

www.elcomdesign.ru

10

РА

ЗР

АБ

ОТ

КА

И К

ОН

СТ

РУ

ИР

ОВ

АН

ИЕ

WWW.ELCOMDESIGN.RU

В статье рассматриваются вопросы электромагнитной совместимо-

сти электронных устройств. Описаны методы и рекомендации, кото-

рые позволяют разработчикам на стадии проектирования печатных

плат (ПП) снизить уровень электромагнитных помех (ЭМП) в системе

и уменьшить вероятность повторного выполнения некоторых этапов

разработки.

КАК СНИЗИТЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ

ПОМЕХИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ?

ВИКТОР АЛЕКСАНДРОВ, технический консультант, ИД «Электроника»

Решение проблем электромаг нит ной

совместимости электронных уст ройств

обходится дороже, если они возникают

на стадии производства. Поэтому учет

на ранних этапах разработки всех фак-

торов, которые могут влиять на появ-

ление ЭМП, помогает избежать непри-

ятных сюрпризов во время испытаний

готового устройства на электромагнит-

ную совместимость.

С увеличением спроса на высоко-

скоростные схемы проектирование

ПП становится все более сложным.

Кроме минимизации помех на ПП инже-

неры должны принимать во внимание

множество других факторов, которые

влияют на работу схемы, в том числе —

потребляемую мощность, размер ПП и

наличие помех в окружающей среде.

Ниже рассматриваются методы про-

ектирования электронных схем на ста-

дии разработки ПП, которые позволяют

устройствам успешно пройти тесты на

соответствие требованиям стандартов

по электромагнитной совместимости.

СХЕМА ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Заземление с низкой индуктивнос-

тью — наиболее важный элемент мини-

Рис. 1. Рекомендуемые способы заземления на печатной плате

мизации электромагнитных помех на

печатной плате. Максимальная пло-

щадь земляной шины на ПП снижает

индуктивность земли в системе, что, в

свою очередь, снижает электромагнит-

ную эмиссию и перекрестные помехи.

Блоки и компоненты схемы можно

подсоединять к земле различными

способами. Плохо, когда компоненты

подсоединяются к точкам заземления

случайным образом. Такой подход

приводит к возникновению высокой

индуктивности земли и к неизбежным

проблемам электромагнитной совме-

стимости в системе.

Рекомендуемым подходом при про-

ектировании ПП является использо-

вание отдельного слоя земли, т.к. он

обеспечивает наименьший импеданс,

поскольку ток в этом случае возвраща-

ется назад к источнику. Однако в слу-

чае двухслойной печатной платы такой

подход невозможен. В этом случае сле-

дует использовать сеть заземления, как

показано на рисунке 1а. Индуктивность

земли будет зависеть от шага сетки

заземления.

Путь, по которому сигнал возвра-

щается в системную землю, также

весьма важен, поскольку, когда сигнал

идет более длинным путем, он создает

контур заземления, который образу-

ет антенну и излучает энергию. Таким

образом, каждый проводник, передаю-

щий ток обратно к источнику, должен

следовать кратчайшим путем к шине

заземления.

Не следует соединять все индивиду-

альные земляные шины компонентов,

а затем подсоединять их к слою земли,

т.к. это не только увеличивает размер

токовой петли, но и повышает вероят-

ность возникновения помех по земле.

На рисунке 1в показан рекомендуемый

метод подсоединения компонентов к

шине земли.

Использование щита Фарадея яв ля-

ется еще одним хорошим способом

уменьшения проблем ЭМП. Щит Фа ра-

дея формируется путем прошивки

слоя земли по всей периферии печат-

ной платы переходными отверстиями.

Разводка любых сигналов вне этой гра-

ницы не производится (см. рис. 1б). Этот

метод ограничивает излучение помех

на ПП внутри границы, обозначенной

щитом.

РАЗДЕЛЕНИЕ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

НА ОБЛАСТИ

Для уменьшения ЭМП компонен-

ты на ПП необходимо группировать

в соответствии с их функциональным

назначением, например, аналоговые

и цифровые блоки, секция источни-

ка питания, низкоскоростные схемы,

высокоскоростные схемы и т.д. Про-

водники для каждой группы блоков

должны быть разведены в пределах

выделенной области. Для сигнала,

который передается из одной подси-

стемы в другую, следует использовать

фильтр на границах подсистемы.

Проводники, передающие аналого-

вые сигналы, следует располагать вдали

от высокоскоростных или импульсных

сигналов и защищать их шиной земли.

Следует всегда использовать фильтр

нижних частот для подавления высоко-

РА

ЗР

АБ

ОТ

КА

И К

ОН

СТ

РУ

ИР

ОВ

АН

ИЕ

11

Электронные компоненты №3 2011

частотных помех, которые могут наво-

диться на аналоговые сигналы. Кроме

того, важно, чтобы шины земли анало-

говой и цифровой части схемы не были

общими.

При разработке топологии ПП раз-

личные блоки схемы должны быть

расположены таким образом, чтобы

обеспечивалось достаточное про-

странство вокруг чувствительных

входов по отношению к импульсным

сигналам с большой амплитудой и/или

частотой, т.к. эти сигналы могут вызы-

вать помехи. Параллельное размеще-

ние проводников на плате обеспечи-

вает хорошую связь между сигналами

этих проводников. Если же такая связь

не желательна, следует располагать

шины земли между этими проводника-

ми. Если эти дорожки должны пересе-

кать друг друга в разных слоях, нужно

разводить проводники под прямым

углом, для того чтобы минимизировать

площадь связи. Дорожки должны быть

как можно меньшей длины, особенно

те, которые передают радиочастотные

или импульсные сигналы с короткими

фронтами.

СЛОИ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

Правильное расположение слоев ПП

является жизненно важным с точки зре-

ния минимизации ЭМП. Если использу-

ется более двух слоев, то целый слой

должен быть использован как слой

земли. В случае четырехслойной платы

под слоем земли должен располагаться

слой питания. На рисунке 2а показан

такой вариант расположения слоев.

Следует учитывать, что слой земли

всегда должен располагаться между

проводниками высокочастотных сигна-

лов и слоем питания. Если используется

двухслойная плата и отвести один слой

под землю невозможно, то следует

задействовать сеть заземления. Если не

используется отдельный слой питания,

то шины земли должны располагать-

ся параллельно шинам питания, чтобы

обеспечить отсутствие помех на этих

шинах.

Рис. 2. а) вариант расположения слоев в четырехслойной плате; б) монтаж развязывающего конденсато-ра на плате

а)

б)

12

РА

ЗР

АБ

ОТ

КА

И К

ОН

СТ

РУ

ИР

ОВ

АН

ИЕ

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Предпочтительно сохранять мини-

мальное расстояние между сигналь-

ным слоем и соседним слоем земли/

питания. Это обеспечивает сравни-

тельно низкий импеданс даже для

достаточно тонких проводников.

Следует избегать появления щелей в

слое земли, чтобы не образовались

щелевые антенны. Кроме того, нужно

устранять небольшие «островки» в

слоях земли. Различные области земли

необходимо соединять с помощью

переходных отверстий (для большин-

ства плат достаточно одного переход-

ного отверстия на каждые 3…5 мм

проводника).

При разработке ПП переходы

между слоями следует сократить

до минимума. Каждое переходное

отверстие, особенно «длинное», т.е.

то, которое идет от верхнего слоя к

нижнему, содержит некоторую индук-

тивность, величина которой состав-

ляет, как правило, 0,5…1 нГн. Следует

особое внимание уделять соедине-

нию развязывающего конденсато-

ра с шиной земли. Рекомендуется

размещать параллельно несколько

переходных отверстий поблизо-

сти от соответствующего конден-

сатора.

ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ СХЕМЫ

Когда проектируют цифровые схемы,

то особое внимание уделяют тактовым

и другим высокоскоростным сигналам.

Проводники с такими сигналами долж-

ны быть как можно короче и распола-

гаться в слое, смежном со слоем земли,

чтобы обеспечить контроль пере-

крестных помех. Инженерам следует

избегать использования переходных

отверстий или размещать проводники

с такими сигналами на краю печатной

платы или около разъемов. Эти сигналы

должны быть расположены вдали от

шин питания, т.к. они наводят помехи и

на питающее напряжение.

Необходимо тщательно рассмотреть

вопрос о том, какая тактовая частота

действительно нужна для данного при-

ложения. Следует выбрать как можно

более низкую рабочую частоту, т.к. от

этого в первую очередь зависит элек-

тромагнитная эмиссия. При развод-

ке схемы генератора никакие другие

шины, кроме земли, не должны рас-

полагаться около или под схемой гене-

ратора. Кварцевый резонатор также

должен быть размещен рядом с соот-

ветствующим кристаллом.

Следует отметить, что обратный ток

всегда протекает по пути с наимень-

шим сопротивлением. Поэтому шины

земли, проводящие обратный ток,

должны быть расположены близко к

дорожкам, проводящим соответствую-

щий сигнал, чтобы сделать токовую

петлю как можно более короткой.

Дифференциальные сигналы долж-

ны быть разведены близко друг к другу

с одинаковой длиной обеих линий,

чтобы наиболее эффективно использо-

вать возможность погашения магнит-

ного поля. Следует избегать больших

петель и предусматривать пути обрат-

ного тока. Чем больше площадь петель,

тем больше их чувствительность и

меньше частота, которая может влиять

на работу схемы. Это верно также и для

излучения электромагнитного поля —

любые проводники, которые образуют

петли с радиочастотным током, могут

вести себя как антенны.

Проводники, передающие тактовые

сигналы от источника к устройству,

должны иметь согласованную нагруз-

ку, т.к. в случае рассогласования импе-

данса часть сигнала отражается. Если

не обеспечить надлежащее согласова-

ние, то большая часть энергии будет

излучаться впустую. Имеется множе-

ство способов создания эффективной

нагрузки, включая нагрузку источника,

оконечную нагрузку, нагрузку по пере-

менному току и др.

Перекрестные помехи могут присут-

ствовать между любыми двумя прово-

дниками на ПП и зависят от взаимной

индукции и взаимной емкости, кото-

рые определяются расстоянием между

двумя проводниками, фронтом импуль-

сов и импедансом проводников. В циф-

ровых системах перекрестные помехи,

вызванные взаимной индукцией, обыч-

но превышают уровень перекрестных

помех, вызванных взаимной емкостью.

Взаимная индукция может быть сни-

жена за счет увеличения расстояния

между двумя проводниками или умень-

шения расстояния от шины земли.

Критичные компоненты схемы,

такие как тюнеры, могут потребовать

экранировки. Длину критичных соеди-

нений следует выбирать так, чтобы

она была меньше 1/10 от длины волны

для наивысшей частоты, которую гене-

рирует схема.

Здесь следует иметь в виду два сооб-

ражения. Во-первых, длина волны (λ) на

ПП сокращается из-за влияния относи-

тельной диэлектрической проницаемо-

сти материала платы (εr). Для материала

FR4 диэлектрическая проницаемость

равна ~4,5. Однако эффективная вели-

чина εr будет еще меньше, т.к. часть

Рис. 3. Эквивалентная схема конденсатора

электрического поля микрополоско-

вой линии находится в свободном про-

странстве. Длина волны определяется

по следующей формуле:

.

Для частоты 3 ГГц согласно этой

формуле длина проводника, равная

~50 мм, уже составляет 1/10 часть

длины волны. Во-вторых, наивысшая

частота в схеме определяется наи-

меньшей длительностью фронта сиг-

нала, поэтому если некоторые компо-

ненты системы работают на частоте

1 МГц с фронтом 1 нс, то на ПП будут

присутствовать сигналы с частотой, по

крайней мере, 500 МГц.

РАЗВЯЗЫВАЮЩИЕ КОНДЕНСАТОРЫ

И РЕЗИСТОРЫ

Любые помехи на источнике пита-

ния влияют на функционирование

устройства. Как правило, помехи, свя-

занные с источником питания имеют

высокую частоту, поэтому требует-

ся использовать шунтирующий или

развязывающий конденсатор, чтобы

отфильтровывать этот шум.

Развязывающий конденсатор обе-

спечивает низкоомный путь для высо-

кочастотного тока с шины питания на

землю. Путь, который проходит ток по

направлению к земле, образует контур

заземления. Длину этого пути следует

минимизировать путем размещения

развязывающего конденсатора побли-

зости от микросхемы (см. рис. 2б).

Длинные контуры заземления увели-

чивают излучение помех и могут дей-

ствовать как потенциальные источники

сбоев.

Реактивное сопротивление идеаль-

ного конденсатора стремится к нулю

при увеличении частоты. Однако сле-

дует помнить, что на более высоких

частотах конденсатор также имеет

некоторые встроенные паразитные

компоненты, такие как последова-

тельная индуктивность и сопротив-

ление, известное как эквивалентное

последовательное сопротивление

(ESR). Кроме того, выводы и корпус

микросхемы добавляют индуктив-

ность.

Простейшая эквивалентная схема

конденсатора содержит конденсатор

номинальной величины, ESR и паразит-

ную последовательную индуктивность.

ESR определяет наименьшую величину

импеданса, которая достигается при

последовательном резонансе конден-

сатора. Выше этого последовательного

сопротивления импеданс конденсато-

ра будет увеличиваться с частотой, т.е.

конденсатор начинает вести себя как

индуктивность. Более сложная модель

конденсатора содержит также конден-

сатор Cp и резистор Rp (см. рис. 3).

РА

ЗР

АБ

ОТ

КА

И К

ОН

СТ

РУ

ИР

ОВ

АН

ИЕ

13

Электронные компоненты №3 2011

Паразитная индуктивность вместе с конденсатором Cp при-

водит к параллельному резонансу, которым часто прене-

брегают, т.к. в обычных керамических SMD-конденсаторах

он возникает только при частоте, превышающей несколь-

ко ГГц.

Последовательный резонанс конденсатора определяется

его типом (электролитический, пленочный, керамический),

механическими размерами и формой, а также, конечно, его

номиналом. Поэтому рекомендуется не просто размещать

один развязывающий конденсатор, а использовать два или

несколько конденсаторов, чтобы обеспечить широкополос-

ную развязку. Например, часто используют в паре 10-нФ

конденсатор для низких частот и 100-пФ конденсатор для

более высоких частот.

Развязывающие конденсаторы следует размещать как

можно ближе друг к другу и к компоненту. Кроме того,

полезно использовать многослойные платы со слоем земли,

который расположен сразу под сигнальным слоем. Важно

также выполнять моделирование схем с учетом реальных

параметров конкретных конденсаторов, а не просто выби-

рать их вслепую. В некоторых проектах размещают только

отдельную центральную группу конденсаторов для раз-

вязывания большой области, но это не следует делать без

тщательного моделирования.

Кроме того, резисторы нужно рассматривать как более

сложные компоненты (параметры которых в высокой сте-

пени зависят от типа конструкции и величины сопротивле-

ния). Эквивалентная схема резистора показана на рисунке

4. К счастью, для типичных низкоомных тонкопленочных

резисторов, которые используются для построения филь-

тров электромагнитных помех, вклад паразитных элемен-

тов в большинстве случаев пренебрежимо мал до частот

1 ГГц.

КАБЕЛИ И ЭКРАНИРОВКА

Большинство проблем, связанных с электромагнитной

совместимостью, вызываются кабелями, передающими

цифровые сигналы, которые действуют как эффективная

антенна. Идеально, когда ток, попадая в кабель, без потерь

выходит из него на другом конце, но в реальности на ток

влияют паразитная емкость и индуктивность, которые

излучают электромагнитное поле.

Использование кабеля с витыми парами позволяет исклю-

чить какие-либо наведенные магнитные поля. Когда исполь-

зуется плоский кабель, необходимо множество проводов,

чтобы обеспечить множество путей возврата тока через

землю. Для высокочастотных сигналов следует использовать

экранированные кабели, в которых экран соединен с землей

в начале и в конце кабеля.

Экранировка — это механический метод снижения ЭМП.

Для предотвращения попадания помех в систему исполь-

зуют металлические корпуса (проводящие и/или магнит-

ные материалы). Можно применить экран для покрытия

всей системы или ее части в зависимости от требований.

Экран напоминает закрытый проводящий контейнер, под-

соединенный к земле, который эффективно снижает размер

рамочных антенн путем поглощения и отражения части их

излучения.

Таким образом, экран также действует как раздел между

двумя областями пространства, ослабляя излучаемую

электромагнитную энергию. Экран уменьшает ЭМП путем

ослабления электрического и магнитного поля излучаемой

волны.

ЗАЩИТА ПОРТОВ МИКРОСХЕМ ОТ РАДИОЧАСТОТНЫХ

ПОМЕХ

Высокоомные порты микросхем чувствительны к радио-

частотным помехам, следовательно, их импеданс следует

уменьшать до допустимого уровня или предусмотреть низ-

коомный путь на земляную шину для РЧ-помех. Если специ-

ально указано, что некоторые выводы земли в микросхеме

связаны с определенными выводами напряжения питания

или портами, где должны располагаться развязывающие

конденсаторы, следует принять это во внимание.

Порты, которые подсоединяются вне электронного моду-

ля, требуют особого внимания — следует, по возможности,

предусмотреть размещение на них развязывающих конден-

саторов и последовательных резисторов. Часто используют

резисторы номиналом 10…100 Ом, но несмотря на то, что

более высокие номиналы резисторов обеспечивают более

эффективные фильтры, они вызывают также и более высо-

кие падения напряжения для DC-сигналов. Если эмиссия

конкретного порта вызывает проблемы, то один конец рези-

стора подсоединяют к порту, а конденсатор — к другой его

стороне. Для частот, величина которых превышает 10 МГц,

более эффективными могут быть ферритовые шайбы, а не

только резисторы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ashish Kumar, Pushek Madaan. Top 10 EMC design considerations//

www2.electronic products.com.

2. Christoph Hammerschmidt. EMC — Synonym for Exasperating,

Magic, Confusing?//www.automotivedesign-europe.com.

Рис. 4. Эквивалентная схема резистора

14

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Функциональный контроль — основное средство про-

верки качества работы изделия в соответствии с его назна-

чением. На этап функционального контроля возлагаются

следующие задачи.

ПОДГОТОВКА К ПЕРВОМУ ВКЛЮЧЕНИЮ (ПОДАЧА ПИТА-

НИЯ НА ИЗДЕЛИЕ)

Такая подготовка требует хотя бы минимального внеш-

него осмотра изделия на наличие грубых дефектов —

коротких замыканий (КЗ), неверных полярностей компо-

нентов и т.д. Наладчик обязан проверить (прозвонить)

изделие на наличие КЗ на шинах питания и в критически

важных цепях, проблемы с которыми могут привести к

появлению вторичных неисправностей во время первого

включения изделия (так называемая «проверка на дым»).

Но всегда ли это выполняется? И всегда ли это возможно в

требуемом объеме?

Если на этапе сборки изделие прошло оптическую (а в

наших реалиях — чаще всего визуальную) инспекцию, то

задача упрощается, но при этом не исключается возмож-

ность скрытых дефектов, начиная от КЗ под компонентами

и заканчивая дефектами самих компонентов. В любом слу-

чае при таком подходе процедура подачи питания сродни

игре в рулетку. Наличие этапа внутрисхемного контроля

перед проведением функционального контроля выводит

весь процесс на более качественный уровень. Появляется

гарантия качества сборки изделия, исправности компо-

нентной базы и соответствия ее конструкторской доку-

ментации. Все это снижает риски в дальнейших операциях

с изделием.

ПРОВЕРКА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

Объем и сложность проверок определяется исклю-

чительно назначением и сложностью изделия, однако

существуют стандартные проверки для всех изделий без

исключения. Среди них:

– проверка токов потребления;

– контроль уровней напряжения в контрольных точках,

связанных, например, с вторичными источниками питания;

– проверка наличия сигналов синхронизации и т.д.

Статистика показывает, что 80% дефектов выявляются

именно на уровне простых и стандартных проверок. Но

обнаружить отклонение — это еще не значит найти и лока-

лизовать дефект, вызывающий его. Результат функциональ-

ного контроля определяет лишь факт наличия проблемы, а

необходимость локализации дефекта по его признакам —

это уже задача наладчика.

Обычно до 90% времени тратится именно на поиск

и локализацию дефекта и только 10% времени — на его

устранение. Отсутствие уверенности в исправности ком-

понентов на плате, наличие других производственных

дефектов приводят к большим временным и материаль-

ным затратам, требуют от персонала хорошего знания

Системы электрического контроля с летающими пробниками SPEA 4040 получили известность на российском

рынке благодаря своим уникальным и востребованным возможностям. Основной сферой применения этих

систем стал внутрисхемный контроль. В этой статье речь пойдет о взаимодействии функционального и вну-

трисхемного контроля, позволяющего повышать качество выпускаемой продукции, сокращать издержки на

поиск и локализацию дефектов, наладку и ремонт.

НИКОЛАЙ КЛЮКВИН , главный специалист отдела электрического контроля, Предприятие Остек

Внутрисхемный и функциональный

контроль: с фактами не поспоришь

изделия и большой практики поиска неисправностей.

Словом, необходим высокий профессионализм сотруд-

ников. С другой стороны, практика показывает, что чем

больше номенклатура изделий, тем ниже уровень автома-

тизации процессов контроля и тем выше затраты. Поэтому

этап внутрисхемного контроля существенно снижает тру-

доемкость процесса наладки, освобождает наладчика от

поиска производственных дефектов и дефектов компонен-

тов, позволяя ему сосредоточиться именно на контроле

функционирования и настройке изделия.

НАСТРОЙКА ИЗДЕЛИЯ

На разных предприятиях по-разному понимают про-

цессы наладки и настройки изделий в зависимости от их

сложности и типа. Сразу определимся, что наладка — это

выполнение действий по обеспечению работоспособности

изделия при подаче на него питания, а настройка — дей-

ствия, обеспечивающие функционирование изделия в

соответствии с заданными параметрами. Простой при-

мер — гетеродинный приемник. На этапе наладки обе-

спечивается работоспособность всех его функциональных

узлов, а на этапе настройки — качественные показатели

(рабочая частота, чувствительность, избирательность).

Трудоемкость наладки и настройки может сильно раз-

личаться, но невозможно качественно выполнить (или

вообще выполнить) процесс настройки, не пройдя этап

наладки и не имея уверенности в полном соответствии

изделия конструкторской документации.

Несмотря на то, что изделие заработало в нормальных

условиях, критичные параметры компонентов могут нахо-

диться на границе зоны работоспособности, что при рабо-

те в тяжелых условиях может привести к отказам. Поэтому

знание реальных значений параметров компонентов, воз-

можность работы со статистикой способствуют увеличе-

нию показателей надежности.

В настоящее время далеко не на всех производствах

осуществляется полноценный входной контроль эле-

ментной базы. Чаще всего, по объективным причинам, на

предприятиях ограничиваются только внешним осмотром,

но проблемы с качеством компонентов, риск закупки

контрафактных компонентов с каждым годом только воз-

растают. Понятно, что проверка каждого компонента, а тем

более упакованного в ленту — задача сложновыполнимая,

если только предприятие не располагает существенными

финансовыми ресурсами, и изделия не относятся к специ-

альной категории. Внутрисхемный контроль реализует

такую возможность и, что особенно важно, после проведе-

ния всех технических и высокотемпературных нагрузок в

процессе сборки.

Серьезное преимущество внутрисхемного контроля

состоит еще и в том, что появляется возможность не про-

сто проверить компонент (например, по падению напря-

жения на открытом переходе транзистора), но и сделать

16

WWW.ELCOMDESIGN.RU

эту проверку (тест) с теми входными параметрами включе-

ния, при которых компонент должен работать. Нам неод-

нократно приходилось делать анализ применения тех или

иных компонентов и схемных решений с их участием, не

всегда понимая, почему разработчик принял именно дан-

ное схемотехническое решение (кстати, не всегда лучшее).

При этом компонент мог быть исправным и работоспособ-

ным в нормальных режимах работы, но ему приходилось

работать в своих предельных (верхних или нижних) режи-

мах. Однако из-за допустимого статистического разброса

параметров процент брака был значительным. Выявление

подобных проблем на стадии функционального контроля

требует высокого профессионализма и немалых усилий

наладчика. Поэтому приходит понимание, что без средств

внутрисхемного контроля не обойтись.

Из вышесказанного можно сделать следующие выводы:

– независимо от сложности и назначения изделия этап

внутрисхемного контроля имеет большую эффективность,

т.к. позволяет существенно сократить затраты на наладку и

настройку изделия при функциональном контроле;

– внутрисхемный контроль не заменяет функциональ-

ного, а лишь дополняет его, позволяя гарантированно про-

ходить функциональный контроль, существенно снижая

временные и материальные затраты на него;

– с наладчика/настройщика снимается функция поиска

и локализации дефектов, и вся его деятельность направля-

ется на контроль качества работы изделия;

– в условиях дефицита квалифицированных инженер-

ных кадров появляется возможность их более продуктив-

ного использования. Например, очень часто приходится

привлекать разработчиков для решения проблем с изде-

лиями, имеющими сложные дефекты;

– в условиях распределения ответственности нередко

возникают вопросы типа «кто виноват?» между произ-

водственными подразделениями, заказчиком и раз-

работчиком. Такие ситуации наиболее характерны для

государственных предприятий. Например, комплектация

была предоставлена заказчиком с полной уверенностью

в ее качестве, а на выходе оказалось, что изделие нера-

ботоспособно именно из-за дефектных комплектующих.

Нередко случается, что на производстве разработчиков

обвиняют в невозможности настроить изделие из-за отсут-

ствия действенных средств диагностики и тестирования,

а разработчики, в свою очередь, сетуют на неспособность

производства качественно собрать изделие. Если же есть

доказательства соответствия изделия конструкторской

документации, общаться становится проще, т.к. с фактами

спорить трудно. Внутрисхемный контроль как раз и прове-

ряет изделие на соответствие конструкторской документа-

ции и документирует все измеренные параметры.

Между функциональным и внутрисхемным контролем

существует не только прямая, но и обратная связь. При

выявлении дефекта на стадии функционального контроля

проводится анализ дефекта и выявляются критерии его

обнаружения в виде соответствующего теста (тестового

вектора) на стадии внутрисхемного контроля. Это позво-

ляет «материализовывать» и накапливать опыт борьбы

с текущими и последующими дефектами и исключать их

в дальнейшем. Конечно, это уже более высокий уровень

организации и функционирования производства, но к

такому можно и нужно стремиться.

Если изделие прошло внутрисхемный контроль, то

намного больше вероятности, что и функциональный кон-

троль будет пройден успешно. Таким образом, функцио-

нальный контроль становится реальным средством под-

тверждения функционирования изделия в соответствии

с техническими требованиями, а не стандартным этапом

поиска и устранения дефектов.

Поставляемые Предприятием ОСТЕК системы электри-

ческого контроля компании SPEA позволяют решать не

только задачи внутрисхемного, но и ряд задач функцио-

нального контроля и внутрисхемного программирования,

благодаря чему можно добиться более высокой степени

автоматизации контроля, снижения трудоемкости и затрат.

СОБЫТИЯ РЫНКА

| ПЯТЬ ПРЕДСКАЗАНИЙ ОТНОСИТЕЛЬНО ПОСЛЕДСТВИЙ ЯПОНСКОГО ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ | Каковы основные последствия

случившегося землетрясения в Японии? Анализ ситуации, сложившейся в Японии после стихийного бедствия, ее влияния на

ВВП, на продажи электроники и на мировой рынок полупроводников сделал президент аналитической компании IC Insights

Билл МакКлин (Bill McClean).

Снижение ВВП. В 2010 г. доля Японии в мировом ВВП составила 7,5%. По оценкам IC Insights, землетрясение и последо-

вавшее за ним цунами приведут к снижению ВВП Японии на 1–3% в 2011 г. В результате последовавших сбоев в цепочке

поставок мировой ВВП может снизиться до 3,4%, что приведет к его сокращению на 260 млрд долл. Первоначальный про-

гноз IC Insights относительно роста мирового ВВП был 3,9%, текущий прогноз — 3,6%.

Объемы продаж электронных систем снизятся. В 2010 г. объем продаж электронных систем составил 1237 млрд долл.,

или 2,2% от мирового ВВП. По пессимистичному сценарию, в 2011 г. мировой ВВП вырастет всего на 3,4%, снизившись на

260 млрд долл. относительно первоначально ожидавшегося показателя. 2,2% от этой цифры составляют 5,7 млрд долл.

Разница между текущим прогнозом объемов продаж электронных систем в 1348 млрд долл. и их предполагающимся сни-

жением в 5,7 млрд долл. равна 1342 млрд долл. Таким образом, рост объемов продаж электронных систем в 2011 г. может

составить 8,5%, а не 9,0%, как в оптимистичном сценарии.

Изменений в объемах продаж микросхем не предвидится. В пессимистичном сценарии (рост мирового ВВП — 3,4%,

снижение объемов продаж электронных систем на 5,7 млрд долл.) из текущего объема рынка полупроводников, который

по прогнозам IC Insights в 2011 г. составит 346,8 млрд долл., следует вычесть 1,4 млрд долл. В итоге объем этого рынка

уменьшится до 345,4 млрд долл. Так или иначе, этот показатель на 10% выше, чем в прошлом году.

Цепочка поставок. IC Insights считает, что текущие уровни складских запасов кремниевых пластин и упаковочных мате-

риалов позволят предотвратить их серьезный дефицит. Кроме того, производство материалов (необработанных пластин,

полимеров и т.д.) может восстановиться гораздо быстрее, чем полупроводниковые фабрики. В течение ближайшего полу-

года потребности многих производителей электронных систем в микросхемах увеличатся в преддверии традиционно

высокого сезонного спроса.

Итоги. Без сомнений, из-за землетрясения и цунами поставки продукции будут ограниченными во многих отраслях, так

или иначе связанных с производством электронных систем и полупроводников. Однако на мировом производстве этой

продукции японская катастрофа скажется слабо. Более того, возможное снижение спроса в 2011 г., связанное с этими

событиями, может частично отразиться на рынке и в 2012 г.

www.elcomdesign.ru

18

СВ

ЕТ

ОТ

ЕХ

НИ

КА

И О

ПТ

ОЭ

ЛЕ

КТ

РО

НИ

КА

WWW.ELCOMDESIGN.RU

В статье обсуждаются проблемы оптимального управления светодиод-

ными системами освещения. Рассмотрены основные методы регулировки

яркости и способы построения драйверов светодиодов, которые обеспе-

чивают простое управление, точную передачу цвета и равномерность

свечения многоканальных светодиодных систем.

НОВЫЕ ПОДХОДЫ К РЕГУЛИРОВКЕ

ЯРКОСТИ И УПРАВЛЕНИЮ

СВЕТОДИОДАМИИЛЬЯ ПЕТРОВ, технический консультант, ИД «Электроника»

За последние 20 лет технология све-

тодиодов достигла серьезных успехов.

В области визуализации и освещения

светодиоды начали постепенно заме-

щать обычные лампы накаливания и

галогенные лампы. Чтобы полностью

использовать возможности светодиод-

ной технологии, недостаточно совер-

шенствовать характеристики свето-

диодов и производить их с меньшими

затратами, важно также улучшать точ-

ность управления и регулировку ярко-

сти их свечения, а значит, внедрять

новые интеллектуальные технологии

драйверов. Развитие новых технологий

управления светодиодами должно идти

в ногу с эволюцией самих светодиодов.

Однако, как признано многими спе-

циалистами в области систем свето-

диодного освещения, трудностей при

применении светодиодов так же много,

как и преимуществ при их использова-

нии. Возможные отклонения в техноло-

гическом процессе изготовления све-

тодиодов по цвету свечения, световому

потоку и прямому напряжению, а также

сдвиг этих параметров при изменении

тока и температуры усложняют постро-

ение качественной системы освеще-

ния. Для преодоления или хотя бы для

минимизации этих проблем специали-

сты разрабатывают новые технологии

управления и драйверы светодиодов,

Рис. 1. Виды регулировки яркости светодиодов с отсечкой фазы

а)б)

в)

обладающие специфическими свой-

ствами и функциями, а также интеллек-

туальные методы регулировки яркости

светодиодов.

МЕТОДЫ РЕГУЛИРОВКИ ЯРКОСТИ

СВЕТОДИОДОВ

В настоящее время, несмотря

на появление систем сетевого типа

(DMX, DALI и др.), 95% всех существу-

ющих систем регулировки яркости

представляют собой одноканаль-

ные настенные диммеры с отсечкой

фазы и нет признаков того, что они

скоро уйдут с рынка. Больше того, их

продажи продолжают расти. В США

установлено более 150 млн обычных

диммеров, работающих совместно

с лампами накаливания. Причинами

широкого внедрения диммеров стали

желание улучшить эстетическое вос-

приятие освещения и возможность

экономии энергии с помощью регу-

лировки яркости свечения. Однако с

внедрением законодательных норм,

запрещающих использование обыч-

ных ламп накаливания, в качестве

их замены все более широко будут

использоваться светодиодные лампы.

Но, к сожалению, пока совместимость

светодиодов с существующей техно-

логией регулировки яркости далека

от идеальной.

Сегодня используются два основ-

ных типа диммеров с отсечкой фазы:

диммеры с отсечкой по передне-

му фронту полуволны переменно-

го напряжения (LEDIM) и диммеры с

отсечкой по заднему фронту полувол-

ны переменного напряжения (TEDIM)

(см. рис. 1). Технология LEDIM доми-

нирует, главным образом, в Северной

Америке. Считается, что технология

TEDIM, которая весьма популярна в

Европе и других странах мира, лучше

приспособлена для работы с низко-

вольтными галогенными лампами,

использующими электронные транс-

форматоры. В LEDIM в качестве актив-

ного элемента обычно используют

триак или триак/диак, а TEDIM имеет

более сложную схему и использует в

качестве активных приборов MOSFET

или IGBT. Можно сказать, что в LEDIM

используется активное состояние

«включено», а в TEDIM — активное

состояние «выключено» — по отно-

шению к начальной точке (0 градусов)

каждой полуволны. Следует отметить,

что в TEDIM генерируется немного

меньший уровень собственного шума,

т.к. в активном выключенном состоя-

нии формируется меньше импульсных

помех.

Специальные стандарты регламен-

тируют определенные свойства, ожи-

20

СВ

ЕТ

ОТ

ЕХ

НИ

КА

И О

ПТ

ОЭ

ЛЕ

КТ

РО

НИ

КА

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Рис. 2. Расширение диапазона регулировки яркости

даемый срок службы, распределение

тепла и света для систем освещения

и светодиодных в том числе (напри-

мер, стандарты IES LM-79 и LM-80 по

измерениям параметров светодиодов).

Однако нет специальных стандартов по

характеристикам регулировки яркости

освещения. На практике регулировку

яркости системы освещения оценива-

ют по характеристикам типового дим-

мера при работе на нагрузку в виде

лампы накаливания. Психо-визуальное

восприятие средним потребителем

этой характеристики показывает ее

линейность и отсутствие мерцаний, что

преимущественно определяется тепло-

вой инерцией нити лампы накалива-

ния и инерционностью системы зрения

человека.

Зависимость между выходной

оптической мощностью лампы и визу-

альным восприятием человека явля-

ется логарифмической при снижении

уровня яркости лампы накаливания

от 100 до 0%. Однако когда регули-

руют яркость светодиодных светиль-

ников, они могут полностью выклю-

читься при 10—20% уровне яркости

из-за требований по минимальному

напряжению источников питания.

Поэтому при низких уровнях мощ-

ности возможна переходная область,

в которой может возникнуть мерца-

ние светодиодов из-за особенностей

ШИМ-регулировки.

Оптимальным решением для регу-

лировки яркости является интеллек-

туальное линейное управление. Этот

метод обеспечивает совместимость

практически со всеми типами диммеров

различных производителей и позво-

ляет плавно регулировать яркость во

всем диапазоне. Компания Light Based

Technologies (LBT) предложила метод

регулировки яркости, который осно-

ван на программном масштабирова-

нии характеристики светильника, что

позволяет более точно управлять ярко-

стью в определенной области диапазо-

на регулировки.

Метод увеличивает разрешение

регулировки яркости в нижней части

диапазона регулировки. В результа-

те 20—50% полного диапазона регу-

лировки распределяются по всему

доступному диапазону настройки (см.

рис. 2). Это не зависит от входного

устройства пользователя или диммера

и обеспечивает более точный контроль

параметров освещения. Интерфейсом

управления в этом случае может быть

поворотный потенциометр, линейный

регулятор, емкостной датчик или сен-

сорный интерфейс.

Другим набором решений в обла-

сти интеллектуального линейного

управления освещением является

возможность выбора характеристи-

ки регулировки, в том числе лога-

рифмической, линейной и пользо-

вательской. На рисунке 2 показаны

три кривые S-типа с различными мак-

симальными уровнями регулировки.

Например, режим C был бы идеаль-

ным для ресторанов в часы приема

посетителей, а режим A больше под-

ходит для уборки помещений после

работы и для утренней подготов-

ки помещений. Режим C позволил

бы создать ту световую атмосферу

в ресторане, которая необходима в

каждом конкретном случае.

Другим аспектом линейного управ-

ления является то, что ток светодио-

да устанавливается, как правило, на

более низком уровне, чем при ШИМ-

регулировке, когда меняется рабочий

цикл и ток усредняется. В результате

потребляется меньше энергии и увели-

чивается эффективность системы.

Использование интеллектуального

линейного управления обеспечивает

и другие преимущества, в особенно-

сти для приложений, где необходима

регулировка яркости низкого уров-

ня. В этом случае хорошо известное

«падение» на выходе светодиодов при

высоких токах отсутствует благодаря

снижению мгновенного тока пере-

хода, поэтому энергоэффективность

улучшается на 30—40% при снижении

яркости лампы.

Большинство топологий импульсных

источников питания или драйверов

светодиодов содержат первичные и

вторичные цепи, которые обычно элек-

трически разделены трансформатором

или обратноходовой катушкой индук-

тивности. Почти все основные полу-

проводниковые компании, которые

выпускают микросхемы управления

источниками питания или драйверами

светодиодов, используют схожие тех-

нологии управления в первичной цепи.

Однако прямое управление источников

питания иди драйверов светодиодов

во вторичной цепи имеет ряд практи-

ческих преимуществ, что видно на при-

мере технологии LB4 компании Light

Based Technologies.

Компания LBT использует запатен-

тованный метод, который уменьшает

задержку и позволяет осуществлять

управление светодиодами в режиме

реального времени. Использование

контроллера с непосредственной

нагрузкой во вторичной цепи также

обеспечивает точную передачу тока в

нагрузку. Кроме того, такой метод тре-

бует использования меньшей емкости

на выходе, поскольку стабилизация

улучшена, что дополнительно снижает

стоимость устройства.

ТОК УДЕРЖАНИЯ ДИММЕРА

Другой фактор, который следует

учитывать при использовании димме-

ров для регулировки светодиодных

систем, заключается в том, что все

диммеры на базе триака с отсечкой

по переднему фронту (LEDIM) требу-

ют тока удержания из-за особенностей

работы компонентов схемы. Дело в том,

что они полностью выключаются, когда

ток перестает протекать по схеме, что

вызывает мерцание света или даже

полное отключение светодиодов. Это

может происходить периодически,

каждый раз, когда сигнал переменного

тока достигает области нулевого напря-

жения.

Во многих схемах ток удержания

может быть создан с помощью неболь-

шой резисторной нагрузки, но вели-

чина его фиксирована во время рабо-

ты, что непроизводительно тратит

энергию. Действительно, эффективная

схема генерирования тока удержания

должна включаться только тогда, когда

ток нагрузки недостаточен, и при этом

только в нужное время. Это требует

создания динамической схемы, кото-

рая выполняет свои функции более

эффективно. Такая схема была пред-

ложена компанией LBT. Это решение

учитывает, что требования к току удер-

жания триака могут в значительной

степени меняться в зависимости от

мощности компонентов схемы, откло-

22

СВ

ЕТ

ОТ

ЕХ

НИ

КА

И О

ПТ

ОЭ

ЛЕ

КТ

РО

НИ

КА

WWW.ELCOMDESIGN.RU

нений параметров полупроводнико-

вых материалов и конструкции ком-

понентов.

На рисунке 3 показаны резуль-

таты моделирования схемы на Spice,

иллюстрирующие динамическую и

периодическую характеристики мето-

да компании LBT. Реальная величина

динамического тока удержания (ток на

R42) определяется как требованиями

нагрузки, так и требованиями отдель-

ного триака или полупроводникового

прибора, регулирующего яркость све-

тодиода. В интервале 8…11 мс рабочего

цикла наблюдаются достаточно низкий

импеданс и весьма малый ток, которые

отвечают минимальным требованиям

триака. Сигнал полуволны переменно-

го напряжения диммера LEDIM-типа

(после выпрямителя, но до фильтрации)

показан в верхней части рисунка 3 для

сравнения при 25-% снижении ярко-

сти.

Диммеры с отсечкой по заднему

фронту (TEDIM) также требуют токов

удержания, но по другим причинам.

Активными устройствами в этом слу-

чае обычно являются транзисторы —

MOSFET или IGBT. Эти приборы также

отключаются при отсутствии падения

напряжения на них, что периодиче-

ски происходит. Переход в состоя-

ние «отключено» будет постепенным,

а не мгновенным. В результате без

достаточного тока удержания димме-

ры будут работать неустойчиво, что

также вызывает необходимость дина-

мического удержания тока, чтобы

обеспечить плавную работу и макси-

мальную энергоэффективность.

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ

Каждый компонент в системе све-

тодиодного освещения имеет потери

энергии, включая драйвер/источник

питания, сами светодиоды, оптику

(линзу или диффузоры) и рефлекторы.

Кроме того, неоптимальное управле-

ние отведением тепла может вызывать

постепенное изменение, обычно в сто-

рону снижения, светового выхода све-

тодиода. Как следствие, когда какой-

либо из этих компонентов увеличивает

свою эффективность хотя бы на еди-

ницы процентов, увеличение общей

эффективности системы оказывается

заметным.

Эффективность источника пита-

ния/драйвера светодиода можно

определить с помощью выражения:

W = Pout/Pin = V . Iout/V . Iin.

Эф фектив ность светодиодов выра-

жается в лм/Вт. Показатель преломле-

ния линзы: n = v1/v2, где v1 — скорость

света в вакууме, v2 — скорость света в

среде, а показатель общей светопро-

ницаемости: t(%) = lm out . 100/lm in, где

lm out — световой поток на выходе,

lm in — световой поток на входе.

Учет эффективности в диапазоне

регулировки яркости является необ-

ходимым условием разработки систе-

мы. Какова эффективность диммеров,

установленных в настоящее время

повсеместно? Устаревшие диммеры

использовали резистивные элементы,

которые обеспечивают потери мощно-

сти, в то время как современные дим-

меры используют ключи, в частности

типа MOSFET. Однако везде использу-

ются последовательные сопротивле-

ния, на которых теряется мощность

в виде тепла. Во время нормаль-

ной работы диммеры нагреваются.

Электрическая эффективность димме-

ров с отсечкой фазы составляет обыч-

но 99%. Оставшийся 1% рассеивается

в диммере в качестве тепла. Поэтому

диммер на 600-Вт нагрузке произво-

дил бы примерно 6 Вт тепла, а 1-кВт

нагрузка дает 10 Вт тепла. Согласно

спецификациям UL/CSA предельная

температура поверхности, рассеи-

вающей тепло, должна составлять не

более 60°C.

КОРРЕКЦИЯ КОЭФФИЦИЕНТА

МОЩНОСТИ

Коэффициент мощности показывает

степень совпадения фазы напряжения

и тока, потребляемого в нагрузке, для

каждого полуцикла синусоидально-

го сигнала переменного тока. Точное

совпадение фазы напряжения и тока

происходит в случае чисто резистив-

ной нагрузки. Коэффициент мощности

равен отношению активной мощности

к полной мощности, потребляемой

нагрузкой. Разные типы нагрузки могут

вызывать опережение или запаздыва-

ние фазы тока относительно напряже-

ния.

Диммеры всех типов оказывают

сильное влияние на коэффициент

мощности для всех типов нагрузки

(емкостной, индуктивной, резистив-

ной, линейной, нелинейной или ком-

бинированной). Это объясняется тем,

что обычно диммеры отсекают фазу

напряжения относительно тока, что

вызывает разбаланс нагрузки и гармо-

нические искажения в линии перемен-

ного тока (см. рис. 4).

Коэффициент реактивной мощно-

сти искажений определяет, насколь-

ко гармонические искажения тока

нагрузки уменьшают среднюю мощ-

ность, передаваемую в нагрузку.

Коэффициент реактивной мощности

искажений можно определить из

выражения:

,

где THD — общие гармонические иска-

жения тока нагрузки.

Это определение допускает, что

напряжение остается неискаженным

(синусоидальным). Это допущение

часто используется на практике и дает

хорошую аппроксимацию. I1rms — сред-

нее квадратическое значение основ-

ной гармоники тока, а Irms — среднее

квадратическое значение общего тока.

Коэффициент мощности получается

умножением коэффициента реактив-

Рис. 4. Коэффициент реактивной мощности иска-жений, вызванных нелинейной/комплексной нагрузкой

Рис. 3. Иллюстрация динамического тока удержания

24

СВ

ЕТ

ОТ

ЕХ

НИ

КА

И О

ПТ

ОЭ

ЛЕ

КТ

РО

НИ

КА

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ной мощности искажений на отноше-

ние этих токов:

.

Низкий коэффициент мощности

часто незаметен для домашнего поль-

зователя, однако в условиях промыш-

ленных предприятий можно заметить

повышенный расход энергии. Если,

например, нагрузка является в высокой

степени индуктивной, то следует уста-

новить емкостные переключатели для

компенсации этих потерь мощности.

Если речь идет о жилых помещениях,

то предприятия коммунального обслу-

живания должны потратить определен-

ные средства для коррекции возмож-

ного разбаланса нагрузки через свою

распределительную сеть.

Драйверы светодиодов и импульс-

ные источники питания представляют

собой нелинейную или комплексную

нагрузку и требуют коррекции коэффи-

циента мощности (ККМ) для того, чтобы

снизить несинусоидальные искажения

тока из-за чрезмерной энергии гармо-

ник на сетевой частоте (см. рис. 4).

Европейский стандарт EN61000-3-2

регламентирует содержание гармо-

ник и базовые критерии ККМ для всех

импульсных источников питания.

Пассивная ККМ в источниках пита-

ния и драйверах для светодиодов

обычно построена по схеме, вклю-

чающей конденсаторы, резисторы и

управляющие диоды. Активная ККМ

также использует распределение тока

по полуволне переменного напряже-

ния. Необходимо решить проблему

стабилизации на нагрузке без отри-

цательного влияния на ККМ или сде-

лать нагрузку, близкую к линейной.

Для этого обычно используют двухка-

скадную топологию источника пита-

ния/драйвера светодиода, напри-

мер, повышающую, понижающую или

понижающе-понижающую.

НОВЫЙ ПОДХОД К УПРАВЛЕНИЮ

СВЕТОДИОДОВ

Драйверы светодиодов, независи-

мо от того, дискретные они или инте-

гральные, можно разделить на три

группы: драйверы постоянного тока,

драйверы постоянного напряжения и

ШИМ-драйверы. Каждый из этих видов

драйверов имеет свои преимущества

и недостатки. С помощью драйвера

постоянного тока можно обеспе-

чить наилучший контроль светоди-

одной системы, но схема существен-

но усложняется, когда необходимо

управлять индивидуально многими

светодиодными каналами. Драйверы

постоянного напряжения являются

простым способом управления, когда

нужно, чтобы светилась только одна

цепочка светодиодов, но когда требу-

ется равномерная яркость нескольких

цепочек светодиодов, применение

этого метода менее предсказуемо.

ШИМ-метод становится стандартным

методом для регулировки яркости

светодиодов и смешивания цветов,

но все же требует компенсации рас-

пределения прямого напряжения све-

тодиодов, что приводит в конечном

итоге к потере мощности. Используя

динамические режимы управления,

в том числе активную регулировку

яркости, управление светодиодной

системой становится более сложным

и, следовательно, менее экономиче-

ски выгодным.

Перед разработчиками систем осве-

щения всегда встает вопрос: какая

величина тока при данной температу-

ре требуется отдельному светодиоду

для того, чтобы он светился достаточно

ярко, а интенсивность свечения всех

светодиодов была равномерной? Ответ

на этот вопрос удивительно прост:

независимо от температуры следует

передать светодиоду ту величину тока,

которая ему требуется, но при этом

необходим контроль времени свечения

светодиода.

Представим светодиоды, соеди-

ненные параллельно таким образом,

что каждое соединение включает

одинаковое число светодиодов (один

или более). Если приложить посто-

янное напряжение к такой цепи, то

ток в каждом канале будет разным

из-за разницы в прямом напряже-

нии светодиодов. Специальный кон-

троллер сравнивает между собой эти

разные токи, затем рассчитывает их

и определяет длительность импуль-

сов для каждого отдельного канала.

Для канала со светодиодами с более

высоким прямым напряжением и,

соответственно, меньшим током,

драйвер должен сформировать более

длительные импульсы. В другом

канале, где светодиод имеет более

низкое прямое напряжение и более

высокий ток, импульсы должны быть

более короткими. В конечном итоге

для каждого канала будет сформи-

рована своя длительность импульса,

которая соответствует заряду во всех

каналах.

Для большого числа каналов све-

тодиодов такой принцип управления

обеспечивает идентичные заряды

в каждом канале и, следовательно,

равномерную яркость свечения всех

каналов. Сначала производится про-

цедура калибровки каналов, когда

светодиоды включаются в первый раз.

Во время этой процедуры измеряется

ток в каждом канале, и полученное

значение интегрируется и сравнивает-

ся с внутренним опорным значением.

Затем рассчитывается время, необ-

ходимое для того, чтобы измеренное

значение стало равным внутреннему

опорному значению. На светодиод-

ный канал с наименьшим током будет

подана последовательность импуль-

сов с наименьшим рабочим циклом

D = 0,9, при этом длительность

импульсов других каналов будет срав-

ниваться с этим каналом. Когда будет

достигнута эквивалентная величина

тока, контроллер отключит канал до

тех пор, пока не начнется следую-

щая последовательность импульсов.

Примеры цепочки светодиодов и

последовательности импульсов пока-

заны на рисунках 5—8.

Цепь, показанная на рисунке 5,

может состоять из трёх светодио-

дов высокой яркости с прямым

напряжением Vf для светодиода 1,

равным 3,45 В, для светодиода 2 —

3,2 В, для светодиода 3 — 3,05 В при

токе 350 мА, которые работают в

Рис. 8. Сигнал контроллера для светодиода 3

Рис. 7. Сигнал контроллера для светодиода 2

Рис. 6. Сигнал контроллера для светодиода 1

Рис. 5. Цепочка из трех параллельно включенных светодиодов (светодиод 1: высокое Vf, If1 = 150 мА, све-тодиод 2: среднее Vf, If2 = 300 мА и светодиод 3: низкое Vf, If3 = 600 мА)

СВ

ЕТ

ОТ

ЕХ

НИ

КА

И О

ПТ

ОЭ

ЛЕ

КТ

РО

НИ

КА

25

Электронные компоненты №3 2011

параллельной цепи при постоянном напряжении 3,2 В.

Каждый светодиод потреблял бы разную величину тока,

их интенсивность свечения была бы разной и цвета

были бы искажены. Контроллер управляет длитель-

ностью импульсов тока, последовательность которых

подается на светодиоды. На светодиод 1, ток которо-

го минимален, подаются импульсы с рабочим циклом

0,9 (90% от периода следования импульсов, равного

2,048 мс). Рабочая частота светодиода 1 составляет око-

ло 500 Гц.

Расчет соответствующего времени включения для све-

тодиода 2 показал, что этот светодиод с увеличенным в

два раза током должен включаться в два раза быстрее, чем

светодиод 1 (0,5 . 2,048 мс . 0,9). Для того чтобы предотвра-

тить мерцание светодиодов, длительность периода следует

уменьшить в два раза. В итоге этот светодиод работает на

частоте примерно 1000 Гц. Аналогично определяется дли-

тельность импульсов для светодиода 3. В результате, полу-

чается, что светодиод 3 работает на частоте 2000 Гц. Заряд,

проходящий через каждый светодиод, в каждом случае

одинаков, что обеспечивает равномерность цвета свечения

и светового потока.

Благодаря точному и эффективному управлению, а также

сниженному энергопотреблению такой подход открыва-

ет новые горизонты для производителей светодиодных

приложений. Использование этой технологии позволяет

реализовать более динамичные светодиодные приложе-

ния. Потребители могут определить с точностью до мкс,

когда необходимо освещение. Там, где освещение в данный

момент не нужно, энергопотребление может быть снижено,

что обеспечивает интервал времени для тепловой разгруз-

ки. Управление освещением во взаимодействии с внешни-

ми электронными устройствами, например, видеокамера-

ми или датчиками, зависит от реализации программного

обеспечения.

Существенное снижение энергопотребления способ-

ствует большей гибкости приложения. Благодаря неза-

висимому управлению каждого светодиода возможно

использование понижающих преобразователей: они рабо-

тают с КПД, близким к 95%, что намного превышает эффек-

тивность повышающих преобразователей. Новая техноло-

гия значительно расширяет возможные приложения для

светодиодов высокой яркости: от визуального контроля

в промышленности с самыми высокими требованиями по

точности до автомобильных приложений, где требуется

высокая надежность при изменении условий внешней

среды.

На базе этой технологии модификация драйвера для

конкретного приложения может быть вначале полностью

реализована с помощью программного обеспечения.

Существенное сокращение времени появления нового про-

дукта на рынке обеспечивает важные конкурентные пре-

имущества. Еще одним фундаментальным преимуществом

такого подхода является динамический процесс разработки.

Вместо разработки нового драйвера для каждого приложе-

ния необходимые модификации полностью выполняются на

программном уровне. Компании могут немедленно реаги-

ровать на изменения требований и адаптировать драйвер к

новому приложению.

ЛИТЕРАТУРА

1. Gregg Sheehan. Facts about Dimming//LED Professional, Jan/Feb,

2011.

2. Jens Gehring. Charge Controled LED Drivers//LED Professional,

Jan/Feb, 2011.

НОВОСТИ САПР

| ПЛАТФОРМА 3D ЭМ-МОДЕЛИРОВАНИЯ — EMPro

2011.02. ОТ AGILENT TECHNOLOGIES | Платформа

обеспечивает ускоренное и более точное моделиро-

вание ВЧ- и быстродействующих компонентов. САПР

Electromagnetic Professional (EMPro) 2011.02 — новая

версия 3D-электромагнитного моделирования для соз-

дания 3D-моделей и анализа электрических характери-

стик корпусированных ИС, разъемов, антенн и других

ВЧ-компонентов.

Платформа EMPro легко интегрируется в среду про-

ектирования Agilent Advanced Design System для разра-

ботки ВЧ- и высокоскоростных схем, модулей и печатных

плат. В новой версии существенно повышена скорость

и точность моделирования ВЧ-компонентов.

EMPro 2011.02 позволяет использовать новые техно-

логии разбиения объекта на сетку для методик расчета,

работающих и во временной (FDTD), и в частотной (FEM)

областях. Платформа имеет несколько новых функций,

которые улучшают производительность и удобство

использования.

www.elcomdesign.ru

СВ

ЕТ

ОТ

ЕХ

НИ

КА

И О

ПТ

ОЭ

ЛЕ

КТ

РО

НИ

КА

27

Электронные компоненты №3 2011

В статье обсуждаются основные методы регулирования яркости свето-

диодов — аналоговая и ШИМ-регулировка. Рассматриваются некоторые

схемы реализации регулировки яркости на базе современных импульсных

драйверов светодиодов. Статья представляет собой перевод [1].

МЕТОДЫ РЕГУЛИРОВКИ ЯРКОСТИ

ДЛЯ ИМПУЛЬСНЫХ ДРАЙВЕРОВ

СВЕТОДИОДОВ

РИЧ РОУЗЕН (RICH ROSEN), инженер технической поддержки, National Semiconductor

ВВЕДЕНИЕ

Экспоненциальный рост свето-

диодного освещения сопровожда-

ется расширением выбора микро-

схем для управления светодиодами.

Импульсные драйверы светодиодов

давно заменили линейные источники

тока, которые потребляют значительно

больше энергии. Все приложения — от

карманного фонаря до табло стадио-

нов — требуют точного управления

стабилизированным током. Во многих

случаях необходимо обеспечить изме-

нение выходной интенсивности све-

чения светодиодов в режиме реаль-

ного времени. Эту функцию обычно

называют регулировкой яркости све-

тодиодов. В данной статье представ-

лены базовые понятия из теории све-

тодиодов, а также некоторые методы

регулировки яркости для импульсных

драйверов светодиодов.

ЯРКОСТЬ И ЦВЕТОВАЯ ТЕМПЕРАТУРА

СВЕТОДИОДОВ

Яркость светодиодов

Понятие яркости видимого света,

излучаемого светодиодом, объясня ет ся

достаточно просто. Численное значе-

ние воспринимаемой яркости светоди-

ода можно легко измерить в единицах

плотности светового потока, которые

называют канделами (кд). Суммарная

выходная мощность светодиода изме-

ряется в люменах (лм).

Рис. 1. Зависимость светового выхода от тока светодиода Рис. 2. Топология понижающего стабилизатора

Важно также понять, что средний

прямой ток светодиода определяет

яркость светодиода. На рисунке 1 пока-

зана зависимость прямого тока свето-

диода от светового выхода. Из рисунка

видно, что эта зависимость является

линейной в широком диапазоне при-

меняемых значений прямого тока IF.

Заметим, что при увеличении IF нели-

нейность возрастает. Когда ток начи-

нает выходить за линейную область,

происходит уменьшение эффективно-

сти (лм/Вт).

Работа светодиода в режиме, пре-

вышающем диапазон линейного изме-

нения светового выхода, приводит к

преобразованию выходной мощности

светодиода в тепло. Оно, в свою очередь,

создает нагрузку на драйвер светодиода

и усложняет систему отвода тепла.

Цветовая температура светодиода

Цветовая температура является

показателем, который описывает цвет

свечения светодиода и указывается в

технической документации на светоди-

од. Цветовая температура светодиода

определяется в пределах диапазона

значений и меняется в зависимости

от прямого тока, температуры пере-

хода и срока службы светодиода. Более

низкая цветовая температура соответ-

ствует красно-желтым цветам (которые

называют теплыми), а более высокая

цветовая температура — сине-зеленым

цветам (холодным). Во многие цветных

светодиодах специфицируется преоб-

ладающая длина волны, а не цветовая

температура, и, кроме того, допускает-

ся сдвиг длины волны.

МЕТОДЫ РЕГУЛИРОВКИ ЯРКОСТИ

СВЕТОДИОДОВ

Существуют два популярных мето-

да регулировки яркости светодио-

дов в схемах импульсных драйверов:

ШИМ-регулировка и аналоговая

регулиров ка. Оба метода контролиру-

ют усредненный во времени ток через

светодиод или цепочку светодиодов,

но между ними есть и различия, кото-

рые становятся ясными при обсужде-

нии преимуществ и недостатков двух

типов схем регулировки.

На рисунке 2 показан импульсный

драйвер светодиодов, включенный в

понижающей топологии. Напряжение

VIN всегда должно быть выше напряже-

ния на светодиоде плюс напряжение на

RSNS. Ток в катушке индуктивности явля-

ется током светодиода. Стабилизация

тока происходит с помощью контроля

напряжения на выводе CS. Когда напря-

жение на выводе CS начинает падать

ниже установленного напряжения,

рабочий цикл импульсов тока, проте-

кающего через катушку L1, светодиод и

резистор RSNS, растет, тем самым увели-

чивая средний ток светодиода.

АНАЛОГОВАЯ РЕГУЛИРОВКА

ЯРКОСТИ

Аналоговая регулировка яркости

светодиодов заключается в подстрой-

28

СВ

ЕТ

ОТ

ЕХ

НИ

КА

И О

ПТ

ОЭ

ЛЕ

КТ

РО

НИ

КА

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Рис. 4. Быстрая ШИМ-регулировка яркости

ке тока светодиода. Проще говоря, это

регулировка уровня постоянного тока

светодиода. Аналоговая регулировка

может выполняться с помощью под-

стройки резистора контроля тока RSNS

или путем управления аналоговым

напряжением на выводе DIM микро-

схемы. На рисунке 2 показаны эти два

способа аналоговой регулировки.

Аналоговая регулировка с помощью

подстройки RSNS

Из рисунка 2 видно, что изменение

сопротивления RSNS приводит к соответ-

ствующему изменению тока светодио-

да при фиксированном опорном напря-

жении на выводе CS. Если бы можно

было найти потенциометр, способный

управлять высоким током светодиода,

а также работать в диапазоне до 1 Ом,

то это был бы практически осуществи-

мый метод регулировки яркости све-

тодиодов.

Аналоговая регулировка с помощью

управления постоянным напряжением

на выводе CS

Более сложным методом регулиров-

ки является прямое управление током

светодиода посредством подачи напря-

жения на вывод CS. Источник напря-

жения обычно включают в цепь обрат-

ной связи, ток в которой формируется

усилителем (см. рис. 2). Ток светодио-

да можно контролировать с помощью

коэффициента усиления усилителя. С

помощью цепи обратной связи можно

реализовать токовую и тепловую защи-

ту светодиода.

Недостатком аналоговой регулиров-

ки является то, что цветовая температу-

ра излучаемого света может меняться

в зависимости от тока светодиода. В

случае, когда цвет свечения светодио-

да является критически важным пара-

метром или у конкретного светодио-

да наблюдаются заметные изменения

цветовой температуры при изменении

тока светодиода, регулировка яркости

путем подстройки тока светодиода ста-

новится недопустимой.

ШИМ-РЕГУЛИРОВКА

При методе ШИМ-регулировки

ток через светодиод пропускается на

короткие периоды времени. Частота

этих циклов запуска-перезапуска тока

должна превышать частоту, детектиру-

емую человеческим глазом, чтобы пре-

дотвратить эффект мерцания. Обычно

используют частоту около 200 Гц или

выше. Яркость светодиода в этом слу-

чае пропорциональна рабочему циклу

сигнала регулировки в соответствии с

формулой:

IDIM-LED = DDIM ILED,

где IDIM-LED — средний ток светодиода,

DDIM — рабочий цикл сигнала регули-

ровки, ILED — номинальный ток свето-

диода, который устанавливается рези-

стором RSNS, как показано на рисунке 3.

Управление драйвером светодиода

с помощью ШИМ-сигнала

Многие современные драйверы све-

тодиодов оборудованы специальным

выводом ШИМ-регулировки (DIM), на

который можно подавать ШИМ-сигнал

с широким диапазоном частот и ампли-

туд, что обеспечивает простое сопря-

жение с внешней логикой. Сигнал,

подаваемый на вывод DIM, отключает

лишь выход схемы, оставляя внутрен-

ние блоки в работающем состоянии,

чтобы предотвратить задержку запуска

микросхемы. Можно также использо-

вать вывод разрешения выхода и дру-

гие логические функции микросхемы.

2-проводная ШИМ-регулировка

2-проводная ШИМ-регулировка —

это популярный метод, используемый

в системах внутреннего освещения

автомобиля. Поскольку VIN модулиру-

ется на уровне ниже 70% от VIN-NOMINAL,

вывод VINS (см. рис. 3) детектирует изме-

нение напряжения и преобразует вход-

ной ШИМ-сигнал в соответствующий

ШИМ-сигнал на выходе. Недостатком

такого метода является то, что источ-

ник питания преобразователя должен

содержать схему, формирующую ШИМ-

сигнал на своем DC-выходе.

Быстрое ШИМ-регулирование

с помощью шунтирующего устройства

Из-за задержки выключения и запу-

ска выхода преобразователя имеются

ограничения на частоту ШИМ-сигнала

регулировки и диапазон рабочих

циклов. Чтобы уменьшить эту задержку,

параллельно светодиоду или цепочке

светодиодов можно включить внешний

шунтирующий компонент, такой как

FET, чтобы обеспечить путь для выход-

ного тока преобразователя, минуя све-

тодиод, как показано на рисунке 4.

Ток в катушке индуктивности не

исчезает во время отключения све-

тодиода, что исключает длительную

задержку его нарастания и спада.

Время задержки определяется теперь

минимальным временем нарастания

и спада сигнала шунтирующего при-

бора. На рисунке 4 показана микро-

схема LM3406 с шунтирующим FET, а

на рисунке 5 сравнивается задержка

включения/выключения светодиода

при использовании вывода DIM и шун-

тирующего FET. Эти измерения были

Рис. 3. 2-проводная ШИМ-регулировка

Рис. 5. Сравнение задержки включения при использовании вывода DIM и шунтирующего FET

СВ

ЕТ

ОТ

ЕХ

НИ

КА

И О

ПТ

ОЭ

ЛЕ

КТ

РО

НИ

КА

29

Электронные компоненты №3 2011

выполнены при выходной емкос ти 10 нФ с использованием в

качестве шунтирующего FET транзистора Si3458.

При шунтировании тока светодиода в случае использова-

ния импульсных преобразователей следует соблюдать меры

предосторожности из-за возможных выбросов выходного

тока при включении FET. Семейство драйверов светодиодов

LM340x представляет собой преобразователи с контроли-

руемым временем включения, в которых не наблюдается

выбросов тока. Номинал выходной емкости на светодиоде

должен быть малым, чтобы обеспечить максимальную ско-

рость переключения.

Недостатком схемы быстрой регулировки яркости явля-

ются потери эффективности. Когда шунтирующий прибор

включен, рассеиваемая мощность, равная VSHUNT DEVICE ILED, теря-

ется в виде тепла. Использование FET с низким значением

Rds(on) позволяет минимизировать потери эффективности.

LM3409 ОБЕСПЕЧИВАЕТ МНОЖЕСТВО ФУНКЦИЙ

РЕГУЛИРОВКИ ЯРКОСТИ

Микросхема LM3409 от National Semiconductor пред-

ставляет собой уникальный драйвер светодиодов, который

имеет необходимую функциональность для простой анало-

говой и ШИМ-регулировки яркости. Этот прибор обеспечи-

вает четыре возможных способа реализации регулировки

яркости светодиода.

1. Аналоговая регулировка с помощью прямого управле-

ния вывода IADJ от источника напряжения в диапазоне 0...1,24 В.

2. Аналоговая регулировка с помощью потенциометра,

включенного между выводом IADJ и землей.

3. ШИМ-регулировка с помощью вывода разрешения.

4. ШИМ-регулировка с помощью внешних шунтирующих

FET.

Схема включения микросхемы LM3409 для аналоговой

регулировки с использованием потенциометра показана на

рисунке 6. Внутренний 5-мкА источник тока создает падение

напряжения на RADJ, которое, с свою очередь, позволяет

изменять порог внутренней чувствительности по току. С той

же целью вывод IADJ может напрямую управляться от источ-

ника постоянного напряжения.

На рисунке 7 показан график зависимости тока светодио-

да от сопротивления потенциометра, включенного между

выводом IADJ и GND. Плоский участок кривой при значении

тока в 1 А соответствует максимальному номинальному току

светодиода, который устанавливается резистором контроля

тока RSNS, показанным на рисунке 4.

На рисунке 8 показан ток светодиода как функция напря-

жения на выводе IADJ. Заметим, что на этом графике виден тот

же максимальный ток светодиода, установленный резисто-

ром RSNS.

Оба варианта аналоговой регулировки просты в реали-

зации и обеспечивают весьма линейные уровни снижения

яркости светодиода вплоть до 10% от максимального зна-

чения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Существует множество методов ре гулировки яркости

светодиодов, управляемых от импульсных стаби лиза то ров.

Два основных вида регулировки — аналоговая и ШИМ-

регулиров ка — име ют свои преимущества и недостатки.

ШИМ-регулировка существенно снижает отклонение цвета

свечения светодиода при изменении яркости за счет при-

менения дополнительной логики для формирования ШИМ-

сигнала. Аналоговая регулировка может быть более простой

в реализации, но она не подходит для приложений, в которых

требуется постоянная цветовая температура светодиодов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Rich Rosen. Dimming Techniques for Switched Mode LED Drivers//

Power Designer, №126.

Рис. 6. Схема включения LM3409 при аналоговой регулировке яркости

Рис. 8. Зависимость тока светодиода от напряжения на выводе IADJ

Рис. 7. Зависимость тока светодиода от сопротивления потенциометра

30

СВ

ЕТ

ОТ

ЕХ

НИ

КА

И О

ПТ

ОЭ

ЛЕ

КТ

РО

НИ

КА

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Индустрия сделала все необходимое для внедрения светодиодного осве-

щения, разработала и создала широкий ряд продуктов для домашних и

коммерческих приложений. Преимущества светодиодов – не мифические,

а реальные: эти устройства характеризуются более высокой эффек-

тивностью, продолжительным сроком службы, низкой стоимостью и

экологичностью. Можно сказать, эра светодиодного освещения вот-вот

наступит.

НА ПОДХОДЕ — СВЕТОДИОДНОЕ

ОСВЕЩЕНИЕМЭТ ДИРДЖИШ (MAT DIRJISH), редактор, Electronic Design Magazine

Несмотря на то, что на рынке посто-

янно появляются новые приложения с

использованием светодиодов, похоже,

эти источники света для систем обще-

го освещения уже достигли вершин

своих характеристик. Разумеется, нет

пределов совершенствованию таких

параметров как яркость и светоотда-

ча. Можно ли сказать, что светодиоды

уже отвечают требованиям всех при-

ложений, за исключением коммерче-

ских решений и систем для создания

спецэффектов? Некоторые эксперты

не видят в ближайшей перспективе

прорыва в системах общего назначе-

ния, считая, что для реализации све-

тодиодного освещения по-прежнему

не достигнуты необходимые значе-

ния светоотдачи, которая позволила

бы заменить, например, стандартные

лампы накаливания А19.

Другие эксперты более оптими-

стичны, полагая, что рынок светоди-

одного освещения все еще находится

на начальных этапах своего развития

и потому у него много перспектив.

Для того чтобы системы светодиод-

ного освещения отвечали нынешним

стандартам, требуется проделать

большую работу. Многие изделия уже

обладают характеристиками, превос-

ходящими параметры ламп накалива-

ния, а именно, обеспечивают высокий

световой поток и качество цвета при

меньшем энергопотреблении. Одного

этого достаточно для того, чтобы

интерес к светодиодному освещению

не иссякал.

Прорыв в реализации осветитель-

ных систем наступит, когда светиль-

ники, пришедшие на замену лампам

накаливания, оснастятся интеллекту-

альными датчиками присутствия, цвет

излучения будет регулироваться, све-

тильниками можно будет управлять

на расстоянии с помощью проводных

или беспроводных сетей, подключен-

ных к интернету.

Говоря о твердотельном освеще-

нии, многие имеют в виду лишь свето-

диоды. Но это только один компонент

системы. Необходимо также обеспе-

чить высокое качество оптической

системы, структурную интеграцию,

питание, управление и связь, а также

учесть влияние человеческого факто-

ра. Таким образом, перед разработчи-

ками стоит не только задача повысить

эффективность светодиодов. При этом

потребительская продукция постоян-

но совершенствуется: растет ее свето-

отдача, индекс цветопередачи, снижа-

ется стоимость.

ПРЕПЯТСТВИЯ НА ПУТИ ВНЕДРЕНИЯ

ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ОСВЕЩЕНИЯ

Светодиодное освещение явля-

ется наиболее энергоэффективным.

Использование светодиодов сулит

большую экономию за счет гораздо

более продолжительного срока служ-

бы. Твердотельные источники света

ярче ламп накаливания и люминес-

центных ламп с холодным катодом.

Кроме того, яркость светодиодных

светильников можно регулировать.

Какое препятствие мешает потре-

бителям перейти на светодиодное

освещение? Почти все поставщики

согласны с тем, что самым большим

препятствием к широкому распро-

странению твердотельных источни-

ков света является их стоимость.

Потребители неохотно тра-

тят на светодиодный светильник

20—30 долл., в то время когда обыч-

ная лампочка стоит лишь несколько

долларов. Многих потребителей не

убеждает даже та экономия при опла-

те счетов за электроэнергию, которую

обеспечивают светодиоды.

Помимо цены существует еще

ряд факторов, сдерживающих безу-

словное принятие твердотельной

технологии. К ним уже не относится

отсутствие стандартизации и подо-

зрительное качество первых образцов

светодиодной продукции. Проблему

усложняет то обстоятельство, что све-

тодиоды — электронные устройства,

тогда как лампы накаливания явля-

ются электрическими приборами.

Таким образом, потребителям подчас

не хватает базовых знаний о возмож-

ностях светодиодных светильников,

у которых, например, больший, чем

у ламп накаливания, срок службы и

более высокая надежность. Кроме

того, репутацию светодиодных све-

тильников подрывают дешевые и

низкокачественные изделия, которые

периодически поступают на рынок.

Например, многие светодиоды, при-

меняемые в системах дорожной сиг-

нализации, не обеспечивают должной

надежности.

К другим сдерживающим факторам

можно отнести эксплуатационные

качества светильников, в т.ч. отсут-

ствие регулировки яркости, недо-

статочную чистоту цвета, небольшой

световой поток, а также отсутствие

возможности эффективно и равно-

мерно распределять излучение таким

образом, чтобы оно не создавало

участков затемнения на освещаемой

поверхности.

Таким образом, если подытожить

сказанное, то к числу самых главных

препятствий на пути реализации

твердотельного освещения отно-

сятся цены, недостаточный уровень

знаний потребителей и невысокая

надежность. Если предположить, что

эти проблемы полным ходом уже

устраняются, когда ожидать массово-

го появления твердотельных систем

освещения?

ВОСХОД СВЕТОДИОДНОЙ ЗАРИ

В скором времени светодиодное

освещение неизбежно получит повсе-

местное распространение, так поче-

му бы не ускорить его появление в

каждом доме? Нельзя ли с помощью

правительственных мер, схожих с

принятыми недавно для перехода на

цифровое ТВ-вещание, повлиять на

внедрение твердотельных техноло-

гий в жизнь?

32

СВ

ЕТ

ОТ

ЕХ

НИ

КА

И О

ПТ

ОЭ

ЛЕ

КТ

РО

НИ

КА

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Многие руководители светотех-

нических компаний считают, что без

правительственной инициативы и

мер широкое распространение твер-

дотельных источников света прои-

зойдет за 10—20 лет. Так или иначе,

правительство уже влияет на рынок,

издав законодательство об энерго-

сбережении и способствуя замене

традиционных систем освещения.

Едва ли население в целом полно-

стью примет эту технологию, если не

будет осуществлена ее дальнейшая

стандартизация, а правительство не

приложит соответствующих усилий.

Вспомним: как только стоимость циф-

ровых телеприемников снизилась

до стоимости аналоговых ТВ, прави-

тельственная инициатива нашла под-

держку в широких массах населения.

Похоже, цена светодиодных светиль-

ников прежде должна снизиться,

чтобы ими, наконец, стали заменять

традиционные лампы. Даже в таком

случае многие аналитики считают, что

светодиоды станут основным источни-

ком света лишь через 10 лет.

Однако существуют и более опти-

мистичные мнения о том, что све-

тодиоды будут играть первую роль

тогда, когда решения на их основе

для рынка общего освещения станут

преимущественно стандартными, а не

заказными. Рынок уже готов к новым

технологиям, и вопрос в том, чтобы

найти верное решение для каждого

приложения.

ДА БУДЕТ СВЕТ!

Потребители не испытывают недо-

статка в продукции для светодиод-

ных систем освещения. Например, в

состав семейства источников пита-

ния eDriver для светодиодов от ком-

пании ERG Lighting входят модули

постоянного напряжения и тока (см.

рис. 1). Эти полностью изолирован-

ные модули оснащены универсаль-

ными входами на 120, 220 и 277 В,

имеют ККМ выше 90%, а также функ-

цию регулировки напряжения в диа-

пазоне 0…10 В.

К о м п а н и я G l o b a l L i g h t i n g

Technologies выпускает тонкие

эффективные и экономичные троф-

феры (встроенные полосовые осве-

тительные арматуры) (см. рис. 2),

которые обеспечивают яркое одно-

родное излучение, не образующее

ярких пятен или темных зон. Эта

арматура размерами 23,5×23,5 и тол-

щиной 0,35 дюйма весит менее 3 кг,

характеризуется светоотдачей выше

60 лм/Вт при цветовой температуре

4000/6000 К и потреблении 45 Вт.

Компания LEDtronics производит све-

тодиодные люстры с источниками света

в форме пламени (см. рис. 3), оснащен-

ные пластиковыми линзами с защит-

ным слоем от УФ-излучения, которые

позволяют излучать во всех направле-

ниях. Светильник серии DEC02SMB11E26

потребляет 3 Вт, его световой поток

составляет 174…202 лм.

Модуль источника питания

LXMG221W-0700034-D0 от Microsemi

(см. рис. 4) поддерживает 5—16 све-

тодиодов и оснащен универсальным

входом для напряжений в диапазо-

не 90...305 В AC. Суммарное значение

коэффициента нелинейных искаже-

ний (THD) модуля менее 20%, ток на

выходе — 700 мА, выходное напря-

жение 14...48 В DC для нагрузок до

34 Вт, максимальный КПД — 90%.

Напряжение модуля регулируется в

диапазоне 0...10 В.

Выходная мощность ультрабелых

светодиодов Oslon SSL LED компании

Osram (см. рис. 5) размерами всего

3×3 мм достигает 1 Вт при светоотдаче

в 100 лм/Вт. При расходимости пучка

в 80° тепловое сопротивление дио-

дов составляет 7 К/Вт, рабочий ток —

350 мА, яркость — 110 лм при темпе-

ратуре 5700 и 6500 К. Максимальный

световой поток — 130 лм.

Драйверы AT9917 и AT9932 от

Supertex предназначены для систем

освещения автомобиля (см. рис. 6). В

драйвере AT9917 используется схема

управления пиковым режимом тока,

управляемый напряжением усили-

тель тока и выход индикации ошиб-

ки с внешним полевым транзистором.

AT9932

Компания Texas Instruments, в

свою очередь, предлагает комплект

разработки TMDSDCDCLEDKIT LED на

основе МК Piccolo и платформы раз-

работки controlCARD для организации

цифрового управления светодиодной

системой. Один микроконтроллер

управляет силовым DC/DC-каскадом и

восемью светодиодными цепочками.

Комплект имеет открытое исходное

программное обеспечение. Его аппа-

ратные средства также полностью

открыты: бесплатно предоставляются

Gerber-файлы, схемотехника и список

компонентов (BOM).

ЕСТЬ ЛИ АЛЬТЕРНАТИВНАЯ

ТЕХНОЛОГИЯ?

Какие технологии могут всерьез

конкурировать со светодиодными тех-

нологиями на рынке общего освеще-

ния? Некоторые эксперты приводят в

пример компактные люминесцентные

лампы (КЛЛ). За последний год срок

службы КЛЛ более чем удвоился, а их

начальная стоимость по-прежнему

намного ниже стоимости светодиодов.

Однако до сих пор разрабатываются

методы регулирования яркостью КЛЛ,

а также изучается вопрос производства

этих ламп без использования ртути и

образования других вредных побочных

Рис. 1. Источник питания eDriver светодиодов для архитектурной подсветки, парковочных систем освещения и уличных фонарей, соответствующий стандарту СЕ и характеристике IP67

Рис. 2. Экономичный троффер компании Global Lighting Technologies

Рис. 3. Светодиодная люстра LEDtronics для осве-щения жилых помещений

Рис. 4. Модуль источника питания LXMG221W-0700034-D0 от Microsemi с КПД равным 90%

СВ

ЕТ

ОТ

ЕХ

НИ

КА

И О

ПТ

ОЭ

ЛЕ

КТ

РО

НИ

КА

33

Электронные компоненты №3 2011

продуктов при утилизации. У КЛЛ сильные преимущества

перед твердотельными источниками света только в катего-

рии стоимости.

В будущем ожидается появление таких технологий как

РЧ-плазма и технология квантовых точек. Часть рынка

по-прежнему отдает предпочтение осветительным системам

на основе разрядных ламп высокой интенсивности (High-

Intensity Discharge, HID) за счет их очень высокой светоотда-

чи и относительно большого срока службы по сравнению с

люминесцентными лампами. При этом у HID-ламп этот пока-

затель заметно уступает сроку службы светодиодов. Вполне

возможно, эти лампы, в конце концов, исчезнут лишь через

несколько лет.

В настоящее время ведутся исследования, целью кото-

рых является создание панелей с использованием мощных

органических светодиодов для освещения офисов и жилых

помещений. Однако эти панели длиной 2×4 фута сильно гре-

ются — больше, чем галогенные лампы.

Как бы то ни было, светодиоды станут главной твердо-

тельной технологией будущего. Похоже, ни одна техно-

логия не в состоянии конкурировать со светодиодами в

обозримом времени, если учесть их совокупные ценовые

преимущества.

Рис. 5. Мощность ультрабелых светодиодов Oslon SSL LED компании Osram достигает 1 Вт

СОБЫТИЯ РЫНКА

| ДОХОДЫ ОТ ПРОДАЖ ПОЛУПРОВОДНИКОВ СНИЗИ-

ЛИСЬ В IV кв. | Объемы мировых продаж полупрово-

дников в IV кв. 2010 г. снизились на 3,7% по сравнению с

предыдущим кварталом. Это первое снижение продаж с

I кв. 2009 г., — отмечают аналитики IHS iSuppli.

Уровень продаж полупроводников из списка

298 по ставщиков упал с 80,1 млрд долл. в III кв. до

77,2 млрд долл. в IV кв. 2010 г. При этом показатель

последнего квартала прошлого года выше объема про-

даж полупроводников в IV кв. 2009 г.

Показатели продаж кристаллов стали расти во II кв.

2009 г., увеличиваясь в каждом следующем квартале

вплоть до IV кв. 2010 г. Несмотря на снижение объема

продаж полупроводников, доходы в 2010 г. выросли на

74,5 млрд долл., установив новый рекорд и превзойдя

прежний рекордный показатель — 59,2 млрд долл. в

2000 г. Непревзойденным показателем годового роста

продаж полупроводниковой индустрии остаются 36,7%

в 2000 г.

www.elcomdesign.ru

34

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ВЫБОР ДРАЙВЕРА СВЕТОДИОДОВ

Итак, яркость свечения светодиода зависит от проте-

кающего через него тока. Для питания светодиода требу-

ется обеспечить постоянство значения этого тока, причем

необходимой величины, которая определяется оптималь-

ной яркостью и цветом свечения светодиода. Перед выбо-

ром драйвера светодиодов следует:

– выяснить, что требуется: постоянное напряжение

(если нагрузкой является светодиодная линейка) или

постоянный ток (если нагрузка — сверхъяркие светодио-

ды);

– определить выходное напряжение драйвера и/или

выходной ток, а также полную мощность;

– определить диапазон входного напряжения;

– уточнить диапазон рабочих температур и требова-

ния по защите от воздействия окружающей среды (ingress

protection, IP);

– оценить требования к КПД, электробезопасности и

электромагнитной совместимости, проверить эти параме-

тры по фирменному описанию (Data Sheet) драйвера.

Все многообразие решений можно свести к следующим

случаям.

1. Проектирование и изготовление собственного ори-

гинального драйвера на основе интегральных схем AC/

DC- или DC/DC-драйверов светодиодов.

2. Выбор готового модульного драйвера (AC/DC или DC/

DC).

В первом случае учитываются особенности проекти-

руемого светильника, его применения, места установки

и т.д. Во втором случае обеспечивается гарантированное

качество решения технической задачи и высокая скорость

выхода нового светодиодного решения на рынок. В совре-

менных условиях именно скорость выхода на рынок новых

востребованных изделий становится важнейшим факто-

ром выживания и развития компании.

Активное внедрение светодиодов в системы освещения и подсветки обусловлено их высокой надежностью, низким

энергопотреблением, большим сроком эксплуатации, удобством применения и широтой спектра задач, решаемых

с помощью светодиодных светильников. Для питания светодиодов необходим стабилизированный ток, поэтому

в качестве его источника применяется специализированный драйвер. Следуя тенденциям рынка, компания Peak

Electronics дополнила модельный ряд драйверов для светодиодов двумя новыми сериями – PLED-UW1 и PLED-P.

АНДРЕЙ КОНОПЕЛЬЧЕНКО, инженер по применению, ЗАО «Компэл»

Новые DC/DC-драйверы светодиодов

от компании PEAK Electronics

Предлагаемый вниманию читателей материал знакомит

с новыми модульными DC/DC-драйверами компании Peak

Electronics для монтажа на печатную плату, которые пред-

назначены для питания сверхъярких светодиодов.

МОДУЛЬНЫЕ DC/DC-ДРАЙВЕРЫ СЕРИЙ PLED-UW1-XXXLF,

PLED-UW1-XXXKA

DC/DC-драйверы светодиодов PLED-UW1-xxxLF и

PLED-UW1-xxxKA выпускаются в пластмассовом корпусе

2”×1” с выходным током 150, 250, 300, 350, 500, 600, 700

или 1000 мА. По сравнению с предыдущими сериями эти

модульные DC/DC-драйверы выполнены по топологии

Boost (в пер. с англ. «повышение»). Ее применение позво-

ляет поддерживать высокое значение выходного напря-

жения даже на низком уровне основной сети питания.

Внешний вид и чертеж модуля питания серии PLED-UW1-

600 приведен на рисунке 1.

Варианты моделей и параметры драйверов серии

PLED-UW1 приведены в таблице 1. Число в наименовании

указывает на значение выходного тока в миллиамперах, а

суффикс KA означает наличие встроенных монтажных про-

водов у модуля. Основные параметры модулей PLED-UW1:

– диапазон входного напряжения: 9…36 В;

– стабилизированный выходной ток;

– возможность управления выходным током;

– дистанционное включение/выключение;

– диапазон рабочих температур: –40…85°С.

Выходная мощность варьирует в диапазоне 7,2…34 Вт

в зависимости от модели. Это значительная мощность для

преобразователя, реализованного в компактном корпусе

типа 2”×1”, но драйверы серии PLED-UW1 имеют высокий

КПД до 95% и не требуют специальных мер для отвода

тепла.

Типовая схема включения драйвера PLED-UW1 приведе-

на на рисунке 2. Его можно применить «как есть», подавая

на вход постоянное напряжение в диапазоне 9…36 В и

получая на выходе стабилизированный ток для питания

светодиодов.

Включение входного LC-фильтра и дросселя синфаз-

ных помех не является обязательным и применяется

только в том случае, если перед разработчиком стоит

задача удовлетворить требования стандарта CISPR22 по

электромагнитному излучению класса B. Производитель

Таблица 1. Варианты моделей драйверов светодиодов серии PLED-UW1

Наименование Iвых, мА Uвх, В Pвых, Вт Uвых, В UDIM, В

PLED-UW1-150xx 150 9…36 7,2 14…48 1,7…5,0

PLED-UW1-250xx 250 9…36 12 14…48 1,7…5,0

PLED-UW1-300xx 300 9…36 14,4 14…48 1,7…5,0

PLED-UW1-350xx 350 9…36 16,8 14…48 1,7…5,0

PLED-UW1-500xx 500 9…36 24 14…48 1,7…5,0

PLED-UW1-600xx 600 9…36 28,8 14…48 1,7…5,0

PLED-UW1-700xx 700 9…36 33,6 14…48 1,7…5,0Рис. 1. Драйвер серии PLED-UW1-600: а) внешний вид; б) расположение выводов и раз-меры корпуса

№ вывода Назначение

1 +Vin

2 PWM/Analog Dim

3 Remote ON/OFF

4 -Vin

5 LED+

6 LED-

а)

б)

36

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Рис. 2. Схема включения драйвера серии PLED-UW1

Таблица 2. Варианты моделей драйверов светодиодов серий PLED-P-xxxLF и PLED-P-xxxKA

Наименование Iвых, мА Uвх, В Pвых, Вт Uвых, В

PLED-P-150xx 150 7…60 9 2…57

PLED-P-250xx 250 7…60 15 2…57

PLED-P-300xx 300 7…60 18 2…57

PLED-P-350xx 350 7…60 21 2…57

PLED-P-500xx 500 7…60 30 2…57

PLED-P-600xx 600 7…60 36 2…57

PLED-P-700xx 700 7…60 42 2…57

PLED-P-1000xx 1000 7…60 60 2…57

Рис. 3. Схема управления током светодиодов аналоговым напряжением с помо-щью переменного резистора

драйвера рекомендует номинальное значение индук-

тивностей L1 и L2 не менее 13,3 мкГн при указанных на

рисунке 2 номиналах конденсаторов C1 и C2. Значение

индуктивности дросселя синфазных помех должно

составлять 3 мГн при номинале конденсатора C3 330

мкФ. Выбрать конкретное наименование дросселей

и конденсаторов можно с помощью параметрическо-

го поиска на сайте www.catalog.compel.ru в разделе

«Пассивные компоненты».

Вывод Remote ON/OFF драйвера PLED-UW1 служит для

дистанционного включения/выключения модуля, а, значит,

и светодиодов, что востребовано в устройствах, реализую-

щих концепцию энергосбережения. Дистанционное вклю-

чение/выключение можно осуществить сигналом с выхода

микроконтроллера или с помощью тумблера. Для включе-

ния модуля значение напряжения на входе Remote ON/OFF

должно быть в диапазоне 0…0,6 В, для выключения — в

диапазоне 0,7…5 В. Потребление по цепи управления не

превышает 1 мА.

Вывод PWM/Analog Dim предназначен для управления

выходным током, т.е. яркостью свечения светодиодов.

На этот вывод можно подавать аналоговое управляющее

напряжение или сигнал с широтно-импульсной модуля-

цией (ШИМ). В первом случае применяется постоянное

напряжение в диапазоне 0,4…1,7 В.

В зависимости от скважности подаваемых на управ-

ляющий вход PWM/Analog Dim ШИМ-импульсов меняется

значение выходного тока драйвера и частота вспышек

светодиодов. Скважность импульсов меняется в диапазоне

10—90%, а максимальная частота управляющих ШИМ-

импульсов не должна превышать 100 кГц.

Если функции дистанционного включения/выключения

или управления яркостью свечения светодиодов не вос-

требованы в конкретной задаче, соответствующие выводы

драйвера можно не подключать.

МОДУЛЬНЫЕ DC/DC-ДРАЙВЕРЫ С УЛЬТРАШИРОКИМ ДИА-

ПАЗОНОМ ВХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Драйверы серий PLED-P-xxxLF и PLED-P-xxxKA отлича-

ются от PLED-UW1 компактным корпусом DIP24 размерами

31,75×20,32×12,45 мм. Драйверы PLED-P-xxxLF и PLED-P-

xxxKA построены на основе топологии Buck (в пер. с англ.

«понижение») преобразователя.

Модули питания светодиодов PLED-P-xxxLF и PLED-P-

xxxKA имеют широкий диапазон входных напряжений

7…60 В. Выходной ток драйверов может принимать значе-

ния 150…1000 мА в зависимости от модели (см. табл. 2), а

КПД преобразователей достигает 97%. Диапазон рабочих

температур составляет: –40…55°С для PLED-P-1000LF;

–40…71°С для PLED-P-500LF, PLED-P-600LF, PLED-P-700LF;

–40…85°С для PLED-P-150LF, PLED-P-250LF, PLED-P-300LF,

PLED-P-350LF.

Вместо xx можно подставить суффиксы LF и KA. Суффикс

LF означает, что модуль питания выполнен в корпусе с

металлическими контактами, а KA означает, что выводами

служат гибкие провода.

Модули PLED-P-xxxLF и PLED-P-xxxKA имеют функции дис-

танционного включения/выключения и управления выход-

ным током, отличие от PLED-UW1 состоит в том, что обе функ-

ции совмещены на одном управляющем выводе PWM.

Схема управления яркостью свечения светодиодов с

помощью управляющего напряжения представлена на

рисунке 3. Управление яркостью свечения светодиодов

LED_1…LED_N осуществляется изменением управляющего

напряжения на выводе DIM путем вращения ручки пере-

менного резистора R3.

Основным элементом схемы управления драйвером

является регулируемый источник опорного напряжения

TL431, с которого снимается стабилизированное напряже-

ние 2,5 В. Резистором R1 задается ток через стабилизатор

TL431. Рекомендуемое значение резистора R1 составляет

4,7 кОм, при этом напряжение U1 может быть любым в

диапазоне 5…30 В. Цепь, состоящая из последовательно

соединенных резисторов R2 и R3, представляет собой

делитель, который формирует напряжение в диапазоне

0…1,25 В на управляющем выводе. Рекомендуемые значе-

ния постоянного R2 и переменного R3 резисторов — по

10 кОм.

Преимуществами этой схемы является отсутствие зави-

симости параметров драйвера от значения напряжения U1

и возможность использования входного напряжения пита-

ния драйвера для формирования управляющего напряже-

ния (значения U+ и U1 могут совпадать).

ПРЕИМУЩЕСТВА МОДУЛЬНЫХ ДРАЙВЕРОВ

СВЕТОДИОДОВ

Главным достоинством модульных драйверов свето-

диодов является простота применения — они не требуют

подключения внешних компонентов и используются по

принципу «Включил, и работает». Эта простота позволяет

разработчику светодиодного светильника или системы

подсветки быстро состыковать драйвер со своей схемой

управления яркостью свечения светодиодов. Все эти преи-

мущества ускоряют процесс разработки нового изделия и

увеличивают скорость его выхода на рынок, что является

главнейшим условием динамичного развития и устойчиво-

го положения компании.

СВ

ЕТ

ОТ

ЕХ

НИ

КА

И О

ПТ

ОЭ

ЛЕ

КТ

РО

НИ

КА

37

Электронные компоненты №3 2011

В статье описываются проблемы, которые могут возникнуть при разра-

ботке источников питания для светодиодной осветительной аппаратуры.

На примере контроллеров компании iWatt показаны особенности контрол-

леров для светодиодов с регулировкой яркости. Несмотря на небольшой

объем, материал имеет практическую значимость для разработчиков.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОНТРОЛЛЕРОВ ДЛЯ

РЕГУЛИРОВКИ ЯРКОСТИ СВЕТОДИОДОВ

ДОН ТЬЮТ (DON TUITE), редактор, Electronic Design

Пара цифровых AC/DC ШИМ-конт-

роллеров с регулировкой яркости све-

тодиодов для 100/230-В автономных

светодиодных систем освещения иллю-

стрирует сложность решения, казалось

бы, простой задачи: как использовать

синусоидальную полуволну с отсечен-

ной фазой диммера на базе триака для

лампы накаливания, чтобы получить

импульсную модуляцию постоянного

тока в цепочке светодиодов для регу-

лировки их яркости?

В процессе разработки выяснилось,

что проект оказался далеко не тривиаль-

ным. Пришлось учитывать самые разные

факторы: от вполне очевидных, напри-

мер, таких как величина коэффициента

мощности и КПД, надежность и размеры

системы, а также стоимость комплектую-

щих — до более сложных вопросов, кото-

рые обычно упускают из виду. Например,

будет ли использоваться настенный дим-

мер с отсечкой фазы по переднему или по

заднему фронту полуволны переменного

напряжения? Как схема будет передавать

информацию? Что, если она не сможет

передавать информацию?

Кроме того, необходимо учитывать и

разного рода непредвиденные пробле-

мы. Например, как обеспечить поддерж-

ку «горячего» отключения, т.е. каким

образом контроллер должен обеспечи-

вать регулировку яркости, когда поль-

зователь извлекает одну светодиодную

лампу из розетки и помещает в нее дру-

гую без отключения питания?

Для иллюстрации способа решения

подобных проблем были выбраны кон-

троллеры компании iWatt. iW3602 (с

выходной мощностью 3…10 Вт) и iW3612

(с выходной мощностью 3…25 Вт) для

светодиодных ламп замены компактно-

го (GU10, MR16) или более крупного (A,

PAR) форм-фактора (см. рис. 1).

Эти микросхемы имеют ряд особен-

ностей, включая цифровую обратную

связь и неизолированную обратно-

ходовую топологию во входном AC/

DC-каскаде. Цифровая цепь управле-

ния обеспечивает точную подстройку

значений постоянных величин для кон-

кретного типа лампы, в которую дол-

жен быть встроен контроллер. Рис. 1. В ограниченном пространстве базы светодиодной лампы должен размещаться полнофункцио-нальный контроллер регулировки яркости

Петля управления предусматрива-

ет также сложную комбинацию ШИМ/

ЧИМ, что обеспечивает высокую

эффективность в диапазоне регули-

ровки яркости при всех условиях внеш-

ней среды, включая изменение темпе-

ратуры и влажности. Использование

стабилизации в первичной цепи AC/

DC-преоб разователя исключает необ-

ходимость применения оптопары —

единственного компонента, который

имеет более короткий срок службы

по сравнению со светодиодами в

лампе (чей срок службы составляет

50—100 тыс. ч).

Что касается схемы AC/DC-пре об-

разователя, то в ней следует учиты-

вать требования ЕС и Energy Star к

минимальной величине коэффициента

мощности. В системах светодиодного

освещения с регулировкой яркости

имеется одна особенность: гармони-

ки переменного тока на частоте сети,

которые корректор коэффициента

мощности не пропускает в шину пита-

ния, не устраняются полностью, т.к.

передаются на выход постоянного тока.

Это не вызывает проблем при высоких

уровнях яркости. Но при низких уров-

нях освещения гармоники могут про-

являться в виде мерцания, что может

оказывать влияние на состояние здо-

ровья, вызывая головную боль и даже

приступы у наиболее чувствительных

людей. В настоящее время разрабаты-

вается проект закона, который будет

учитывать эти вопросы.

Кроме того, необходимо исключить

возможность возникновения акусти-

ческого резонанса обратноходового

трансформатора на низких уровнях

яркости. Контроллеры компании iWatt

используют ЧИМ с целью повышения

эффективности при малой нагрузке и

исключения акустического шума транс-

форматора.

Чтобы снизить стоимость материа-

лов и комплектующих, а также упро-

стить задачу размещения схемы управ-

ления в стандартной базе обычной

лампы, была выбрана 200-кГц частота

коммутации, что позволило использо-

вать конденсаторы и трансформаторы

более компактного размера. Кроме

того, разработчики могут использовать

радиатор меньшего размера, т.к. высо-

кая эффективность (не менее 85%) сни-

зила тепловые потери.

Другой особенностью микросхем

является возможность применения

диммеров разного типа — от самых

примитивных на базе триаков/диаков

до сложных устройств для залов засе-

даний класса «люкс».

ЛИТЕРАТУРА

1. Don Tuite. LED Dimming ICs Demonstrate

Design Challenges//www.electronicdesign.com.

АН

АЛ

ОГ

ОВ

ЫЕ

КО

МП

ОН

ЕН

ТЫ

39

Электронные компоненты №3 2011

В статье обсуждаются особенности построения трактов измерения

аналоговых сигналов во встраиваемых системах. Рассмотрены методы

измерения аналоговых сигналов малой амплитуды с резистивных дат-

чиков, в том числе с датчиков температуры и тензодатчиков, а также

способы повышения точности измерения слабых сигналов.

ТОЧНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ АНАЛОГОВЫХ

СИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ СБОРА

ДАННЫХАЛЕКСАНДР ЩЕГЛОВ, технический консультант, ИД «Электроника»

Проектирование цепей измерения

аналоговых сигналов вызывает порой

наибольшие трудности. Даже при

построении простой системы сбора

данных на базе резистивных датчи-

ков и АЦП нужно учитывать множе-

ство факторов, чтобы в результате

получить достоверные данные.

Ситуация усложняется, когда необ-

ходимо построить систему, рабо-

тающую с различными датчиками. В

данной статье обсуждаются вопросы,

которые нужно решить разработчи-

ку при измерении аналоговых сигна-

лов с высокой точностью на приме-

ре использования различных типов

резистивных датчиков.

Типичную цепь измерения анало-

говых сигналов в системе с резистив-

ными датчиками можно представить

так, как показано на рисунке 1. Хотя

на уровне структурной схемы все сиг-

нальные цепи выглядят одинаково,

параметры каждого блока зависят от

многих факторов. Наиболее важными

из них являются: изменение сопро-

тивления (и, следовательно, напря-

жения) датчиков при изменении их

физического количества; расстояние

датчика от измерительной системы

(т.е. погрешность измерения из-за

влияния сопротивления проводов);

требуемая точность системы и виды

помех.

Эти факторы определяют тип необ-

ходимой цепи возбуждения; способ

подключения датчика к измеритель-

ной системе; коэффициент усиления,

требуемый для схемы предваритель-

ной обработки сигнала и АЦП; тип

фильтра и его частоту среза, а также

разрешение и входной диапазон

АЦП.

ИЗМЕРЕНИЯ СИГНАЛОВ С

РЕЗИСТИВНЫХ ДАТЧИКОВ

ТЕМПЕРАТУРЫ

Резистивные датчики температуры

(RTD) построены на базе термисто-

ров, которые являются нелинейны-

ми элементами в рабочем диапазоне

температур. Изменение сопротив-

ления термисторов при изменении

температуры подчиняется сложной

нелинейной функции:

1/T = A + B ln(R) + C (ln(R))3,

где T — температура, R — сопротив-

ление, A, B и C — константы, харак-

терные для данного термистора.

Обычно для вычисления исполь-

зуют таблицу соответствия сопро-

тивления и температуры. Затем тем-

пература вычисляется с помощью

кусочно-линейной аппроксимации.

Несмотря на то, что могут возникнуть

погрешности измерений из-за откло-

нений коэффициента усиления и сме-

щений, эти ошибки слишком малы по

сравнению с требованиями по точно-

сти измерения температурного дат-

чика на базе термистора. Существует

несколько прямых способов измере-

ния сопротивления, как показано на

рисунке 2.

Топология, показанная на рисун-

ке 2а, использует ЦАП с выходом по

напряжению для питания (возбужде-

ния) резисторного делителя. Одним

из резисторов в цепи делителя явля-

ется сам датчик, а другой резистор —

это опорное сопротивление. Такая

конфигурация будет работать, одна-

ко однополюсные измерения имеют

недостатки. Одним из них являет-

ся разница уровня земли датчика и

уровня земли АЦП, что приводит к

появлению смещения.

С другой стороны, как показано

на рисунке 2б, когда отрицатель-

ный вход АЦП соединен с делите-

лем, аналоговая земля и земля АЦП

находятся под одинаковым потенциа-

лом. Поскольку дифференциальные

линии расположены близко друг от

друга, любой сигнал помехи на одной

линии будет наводиться на другую.

При дифференциальных измерениях

этот сигнал гасится, т.к. является син-

фазным. Следует также отметить, что

при измерении напряжения на рези-

сторе RSENSOR положительный вход

подсоединяется вблизи датчика. Это

гарантирует отсутствие погрешности

измерений из-за влияния сопротив-

ления проводов.

На рисунке 2в показана топология,

в которой используется ЦАП с токо-

вым выходом для возбуждения датчи-

ка. Напряжение, измеренное на сопро-

тивлении датчика, обеспечит точное

определение его сопротивления.

Токовое возбуждение датчика являет-

ся наилучшей топологией с точки зре-

ния количества необходимых внешних

компонентов. В этой схеме не нужны

эталонные сопротивления. Однако

для калибровки погрешности коэф-

фициента усиления системы резистор

требуется. Заметим, что для тех при-

ложений, в которых не нужна очень

высокая точность, нет необходимости

в компенсации погрешности коэффи-

циента усиления и, следовательно, не

требуется внешнее эталонное сопро-

тивление.

Резистивные датчики температуры

(RTD) имеют сопротивление порядка

100 Ом при температуре 0°C, и при

изменении температуры на один гра-

дус сопротивление изменяется при-

мерно на 0,385 Ом. Поскольку RTD

имеет низкий номинал, сопротивление

проводов оказывает основное влия-

ние на их точность.

Рис. 1. Базовая цепь измерения аналогового сигнала

40

АН

АЛ

ОГ

ОВ

ЫЕ

КО

МП

ОН

ЕН

ТЫ

WWW.ELCOMDESIGN.RU

RTD возбуждаются источником

постоянного тока. Напряжение на

RTD можно измерить с помощью

3-проводного или 4-проводного мето-

да в зависимости от числа проводов,

идущих от измерительной системы к

RTD. Поскольку RTD расположены в

удалении от измерительной системы,

3-проводный метод более предпочти-

телен с точки зрения стоимости про-

водов. На рисунке 3 показана схема

включения RTD при 3-проводном

методе измерения.

Погрешность, вызванная влияни-

ем сопротивления проводов, может

быть устранена несколькими путями.

Один способ заключается в измерении

сопротивления провода вручную и

сохранении его в качестве константы.

Каждый раз, когда производится изме-

рение, это сопротивление вычитается.

Другим способом является измере-

ние падения напряжения между поло-

жительным выводом RTD и выходом

ЦАП. Если провода имеют одинаковые

параметры, они будут иметь одина-

ковое сопротивление, и напряжение,

измеренное на предыдущем этапе,

можно вычесть из напряжения, изме-

ренного на датчике. Однако все же воз-

можна некоторая ошибка, если прово-

да не симметричны. Кроме того, этот

метод требует использования допол-

нительного вывода для соединения

выхода ЦАП со входом АЦП.

Для точных измерений более пред-

почтительна 4-проводная конфигу-

рация, показанная на рисунке 4. Как

отрицательный, так и положительный

входы соединены с выводами RTD, что

исключает ошибку, вызванную сопро-

тивлением проводов. Входной импе-

данс сигнальной цепи для RTD должен

быть очень высоким, чтобы обеспе-

чить пренебрежимо малую величину

входного тока. Когда АЦП имеет низ-

кое входное сопротивление, сигнал

на вход АЦП следует подавать через

буферную схему.

Как было сказано выше, в систе-

ме возникает смещение напряжения,

которое меняется с температурой.

Температурный дрейф смещения и низ-

кочастотный шум можно исключить,

используя метод двойной коррели-

рованной выборки (correlated double

sampling — CDS). В этом случае внача-

ле измеряется смещение относитель-

но нуля (для того чтобы его измерить,

оба входа замыкают накоротко), а затем

измеряют напряжение на датчике.

Из топологии, показанной на рисун-

ке 4, очевидно, что точность системы

зависит исключительно от точности

ЦАП с токовым выходом. Если выход-

ной ток ЦАП изменяется на 5%, то и в

рассчитанное значение также вносит-

ся погрешность 5%.

Это вызывается отклонением коэф-

фициента усиления от идеального зна-

чения, что является неприемлемым для

большинства систем. Имеются также и

другие факторы, влияющие на ошиб-

ку коэффициента усиления, например,

точность опорного напряжения АЦП.

Если точность источника опорного

напряжения (ИОН) всего 1%, то и все

измерения, сделанные этим АЦП, будут

иметь точность не менее 1%. А если

учесть, что в данном случае измеряется

температура, то эта проблема может

проявиться еще больше.

Чтобы избежать влияния ошибки

коэффициента усиления, лучше всего

использовать для измерений высоко-

точный эталонный резистор, напри-

мер, резистор с разбросом 0,1%. На

рисунке 5 показана схема, в которую

включен калибровочный резистор.

Вначале ток протекает через эта-

лонный резистор, на нем измеряет-

ся напряжение и, соответственно,

сопротивление. На результаты изме-

рений влияет отклонение коэффици-

ента усиления. На следующем этапе

ток протекает через RTD, и теперь

напряжение измеряется на нем. Два

измерения АЦП исключают любые

отклонения коэффициента усиления,

т.к. измерения сопротивления RTD

производятся относительно эталон-

ного сопротивления. Точность систе-

мы определяется теперь погреш-

ностью используемого эталонного

сопротивления.

ИЗМЕРЕНИЯ СИГНАЛОВ

С ТЕНЗОДАТЧИКОВ

До сих пор мы обсуждали пробле-

мы, связанные с измерением аналого-

вого сигнала в вольтовом диапазоне.

Рис. 2. Схемы измерения сопротивлений

а)

б)

в)

42

АН

АЛ

ОГ

ОВ

ЫЕ

КО

МП

ОН

ЕН

ТЫ

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Однако имеются системы, измерения

в которых производятся в милли-

вольтовом диапазоне, и это созда-

ет совершенно иные проблемы для

разработчика. Хорошим примером

является система на базе датчиков

механической нагрузки или тензодат-

чиков.

Типовой тензодатчик представляет

собой четыре резистора, включенные

по схеме моста Уитстона (см. рис. 6).

Рис. 3. Схема 3-проводного измерения RTD

Рис. 4. Схема 4-проводного измерения RTD

Рис. 5. Схема 4-проводного измерения RTD с компенсацией погрешности коэффициента усиления

Рис. 6. Схема измерения сигнала с тензодатчика

Изменение температуры значи-

тельно влияет на тензодатчик из-за

теплового расширения материала,

которое изменяет сопротивление,

поэтому изменение сопротивления

может быть ошибочно детектирова-

но как часть измерения напряжения.

При включении тензодатчиков в кон-

фигурации моста Уитстона изменение

температуры можно легко скомпен-

сировать. В такой конфигурации тем-

пература будет одинаково влиять на

все плечи моста, что сводит к нулю

изменение сопротивления, обеспечи-

вая автокомпенсацию влияния темпе-

ратуры.

Однако конфигурация тензодатчиков

в виде моста Уитстона имеет главный

недостаток — смещение нуля. Это про-

исходит, когда один из датчиков уста-

новлен не надлежащим образом или

деформирован. Этот недостаток пре-

одолевается с помощью шунтирующе-

го резистора для балансировки моста.

Однако балансировка моста в полевых

условиях нецелесообразна, т.к. датчики

деформируются также при их износе в

процессе эксплуатации.

Рассмотрим пример тензодатчика

чувствительностью 2 мВ/В, измеряю-

щего максимальный вес 10 кг. При

питающем напряжении 5 В выход-

ное напряжение находится в диапа-

зоне всего 10 мВ. Это означает, что

даже если к тензодатчику приложе-

на сила в 10 кг, выходное напряже-

ние будет 10 мВ. Чтобы обеспечить

16-разрядную точность измерения

в 10-мВ диапазоне, нужно соответ-

ствующим образом уменьшить диа-

пазон АЦП.

Наиболее распространенным мето-

дом является реализация каскада усиле-

ния на входе, чтобы входной диапазон

соответствовал входному диапазону

АЦП. Например, чтобы обеспечить 10-мВ

диапазон измерений с помощью АЦП,

который имеет входной диапазон 0±1 В,

можно использовать каскад усиления с

коэффициентом усиления, равным при-

мерно 100.

Когда АЦП используют для изме-

рения в динамическом диапазоне

1 В, наименьшая величина напряже-

ния, которую можно измерить для

20-разрядного АЦП, равна 1 мкВ. При

использовании каскада усиления для

расширения измеряемого диапазона

усиливаются и помехи, которые могут

влиять на результаты измерения.

Помехи влияют на число используе-

мых бит АЦП при данном коэффици-

енте усиления. Следовательно, нужно

выбрать АЦП, который обеспечивает

оптимальное разрешение при тре-

буемом усилении.

Как правило, для измерения выхо-

да с тензодатчиков используются

сигма-дельта АЦП и фильтры нижних

АН

АЛ

ОГ

ОВ

ЫЕ

КО

МП

ОН

ЕН

ТЫ

43

Электронные компоненты №3 2011

частот (ФНЧ). В некоторых сигма-

дельта АЦП предусмотрена возмож-

ность усиления сигнала в самом

сигма-дельта модуляторе. С этим

связано еще одно дополнительное

преимущество. Поскольку мы увели-

чиваем коэффициент усиления моду-

лятора АЦП, полоса пропускания

АЦП уменьшается. Это не является

проблемой при измерениях сигналов

с датчиков, т.к. их рабочая частота

намного меньше. Однако уменьше-

ние полосы пропускания может стать

преимуществом, т.к. оно действует

как ФНЧ и не позволяет помехам воз-

действовать на систему.

Другой важной проблемой, свя-

занной с интерфейсом тензодатчика,

является вероятность отклонения

коэффициента усиления, т.к. диапазон

выходного сигнала зависит от напря-

жения возбуждения. Небольшие

отклонения напряжения возбужде-

ния могут вызвать пропорциональ-

ную ошибку коэффициента усиле-

ния при измерениях. Этого можно

избежать, если выполнять измерения

относительно величины напряжения

возбуждения. Достичь этого можно

двумя способами.

Можно измерять сигнал и напря-

жение возбуждения отдельно, а затем

вычислять их соотношение, устраняя,

таким образом, погрешность коэффи-

циента усиления. Однако этот метод

требует мультиплексирования АЦП

для двух сигналов. Другой проблемой

является то, что измеряемый сигнал-

находится в 10-мВ диапазоне, а напря-

жение возбуждения — в вольтовом

диапазоне. Это означало бы динами-

ческое изменение установки коэффи-

циента усиления и параметров АЦП,

что нецелесообразно в большинстве

аналоговых систем.

Другим способом является исполь-

зование ИОН для АЦП. Как правило,

АЦП имеют вывод для подсоединения

внешнего ИОН. Каждое измерение в

АЦП производится относительно этого

опорного напряжения. Таким образом,

если мы используем напряжение воз-

буждения в качестве опорного напря-

жения для АЦП, мы

о б е с п е ч и в а е м

о т н о с и т е л ь н ы е

измерения сигна-

ла.

Э ф ф е к т и в -

ность системы,

которая исполь-

зуется для опре-

деления малых

величин сигнала

с тензодатчика,

становится кри-

тически важной

для того, чтобы

обеспечить при-

емлемую точ-

ность измерений.

Рассмотрим обыч-

ный и усовершен-

ствованные мето-

ды измерений.

Обычная

методология

измерения

сигналов с

тензодатчиков

В обычном

ме тоде измере-

ния тензодатчи-

ки, включенные

по мостовой схе-

ме, возбуждают-

ся от источника

напряжения, а на выходных терми-

налах измеряется напряжение (см.

рис. 6). Когда на мост воздействует

механическая сила, то в зависимо-

сти от положения датчиков прояв-

ляется сила растяжения или сжатия.

Амплитуда изменения сопротивле-

ния прямо пропорциональна вели-

чине давления на датчик. В зависи-

мости от напряжения возбуждения

сигнал, который может быть измерен

на выходе, будет равен:

VOUT = [R4/(R2 + R4) — R3/(R1 + R3)] VDRIVE.

Однако, как было сказано выше, в тен-

зодатчиках, включенных по мостовой

схеме, наблюдается проблема смеще-

ния нуля, и это смещение меняется со

временем. Это делает использование

шунтирующего резистора неэффек-

тивным.

Проблема может быть решена с

помощью простого микроконтролле-

ра и коррекции смещения в микро-

программном обеспечении. Когда

тензодатчик не нагружен, сигнал с

его выхода можно рассматривать как

смещение, и вычитать или добавлять

для каждых следующих данных, счи-

танных из АЦП. Путем автокоррекции

можно также компенсировать эффект

старения датчика в процессе эксплуа-

тации.

Стоит отметить и другие проблемы

обычного метода измерений.

Источник напряжения, исполь-

зуемый для возбуждения мостовой

схемы, обычно расположен на неко-

тором расстоянии от устройства.

Поэтому сопротивление проводов

соединения входов мостовой схемы

с источником напряжения также вно-

сит погрешность в систему.

Поскольку выходной сигнал от тен-

зодатчика весьма слабый, требуется

либо АЦП с высоким разрешением,

либо усиление сигнала перед обра-

боткой в АЦП. Использование уси-

лителя постоянного сигнала вводит

дополнительную погрешность коэф-

фициента усиления и смещение.Рис. 7. Метод двойной коррелированной выборки (CDS)

44

АН

АЛ

ОГ

ОВ

ЫЕ

КО

МП

ОН

ЕН

ТЫ

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Использование АЦП с высоким раз-

решением или усилителей с малым

смещением и погрешностью коэффи-

циента усиления также увеличивает

стоимость полной системы.

УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЕ МЕТОДЫ

Метод двойной коррелированной

выборки (CDS)

Этот метод используется для точно-

го измерения сигналов весьма малого

уровня. Он автоматически компенсиру-

ет смещение, вызванное усилителем с

программируемым усилением, и тепло-

вые шумы, генерируемые системой. На

рисунке 7 показана реализация этого

метода в системе на кристалле.

При таком подходе контроллер

использует аналоговый мультиплек сор

для переключения входа АЦП между

источником постоянного напряжения,

выходами мостовой схемы и опорным

напряжением.

Одним из недостатков обычных

методов, как было показано выше,

является погрешность, которая вно-

сится сопротивлением источника и

проводов. На рисунке 7 это сопро-

тивление смоделировано резистором

RS. Эффективное напряжение управле-

ния на входе моста можно представить

следующим образом:

VDRIVE = VDAC – IDACRS.

В методе CDS напряжение управле-

ния измеряют непосредственно на

выводах управления моста. Эту изме-

ренную величину напряжения можно

использовать для вычисления изме-

нения сопротивления. Поскольку

на эту величину не будет оказывать

влияния сопротивление источника,

вычисленное значение будет намно-

го более точным.

Другим существенным преимуще-

ством этого метода является автома-

тическая компенсация смещения. В

данной конфигурации мультиплексор

(AMux) переключает вход усилителя с

программируемым коэффициентом

усиления (PGA) между выходом моста

и ИОН. Сигнал, полученный при под-

соединении PGA к ИОН, будет смеще-

нием системы.

Таким образом, перед каждым считы-

ванием показателей система вычисляет

смещение с помощью микропрограмм-

ного обеспечения на основе данных,

полученных из АЦП, когда PGA под-

соединяется к выходному напряжению

моста. Помимо смещения обнуляется

также тепловой шум, сгенерированный

в системе.

Другим ограничением при изме-

рении сигналов с высокой точностью

является погрешность коэффициента

усиления PGA. Однако эту погреш-

ность можно откалибровать, исполь-

зуя алгоритм [2].

Рис. 9. Фильтр скользящего среднего

Рис. 8. Метод источника тока

Метод источника тока

Это еще один метод, который

широко используется при изме-

рениях весьма малых сигналов. В

этом случае вместо источника

напряжения для питания мостовой

схемы используется источник тока.

Реализация этого метода показана

на рисунке 8.

Самым важным преимуществом

этого метода является то, что сопро-

тивление проводов не вносит погреш-

ностей в измерения, т.к. ток в цепи

всегда остается постоянным.

Ограничением данной методики

является отклонение тока от задан-

ного значения из-за разброса пара-

метров компонентов. Однако эту

проблему можно решить с помощью

калибровки ЦАП с токовым выходом

(IDAC) с помощью усилителя напряже-

ния, управляемого током, или с помо-

щью трансимпедансного усилителя

(TIA). Для реализации такого подхода

IDAC подсоединяется к TIA, который

преобразует выходной ток IDAC в соот-

ветствующее напряжение согласно

следующему уравнению:

VTIA = IDAC × K,

где K — коэффициент усиления TIA.

Измерив выходное напряже-

ние TIA и разделив эту величину на

коэффициент усиления TIA, можно

получить величину IDAC, используе-

мую для питания мостовой схемы.

Калибровка смещения и коэффици-

ента усиления в этом случае анало-

гична методу CDS.

ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТР

Мы обсудили несколько способов

того, как уменьшить шумы и помехи в

цепи аналогового сигнала. Одним из

способов дополнительного уменьше-

ния помех является микропрограмм-

ный математический фильтр для

усреднения шума. Простой в реали-

зации тип фильтра — фильтр скользя-

щего среднего (moving average filter),

где используется массив данных, в

котором новые входные значения

последовательно поступают на вход,

а наиболее старые значения после-

довательно появляются на выходе

(см. рис. 9). В любой момент вре-

мени выход фильтра является сред-

ней величиной всех элементов мас-

сива.

ЛИТЕРАТУРА

1. Kannan Sadasivam, Sachin Gupta.

Design considerations the analog signal

chain//www.eetimes.com.

2. Pushek Madaan. Maintaining accuracy

with small magnitude signals//www.analog-

europe.com.

46

АН

АЛ

ОГ

ОВ

ЫЕ

КО

МП

ОН

ЕН

ТЫ

WWW.ELCOMDESIGN.RU

В статье рассматриваются принципы работы усилителей с нулевым

дрейфом, а также преимущества и недостатки разных топологий их

построения.

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

С НУЛЕВЫМ ДРЕЙФОМ РЕЗА МОГИМИ (REZA MOGHIMI), инженер по применению

ЧТО ПРЕДСТАВЛЯЮТ СОБОЙ

УСИЛИТЕЛИ С НУЛЕВЫМ

ДРЕЙФОМ?

Усилители с нулевым дрейфом дина-

мически корректируют напряжение

смещения и изменяют форму кривой

спектральной плотности шума. У двух

стандартных типов таких устройств —

усилителя с автоматической установ-

кой на нуль и усилителя со стаби-

лизацией прерыванием — смещение

составляет порядка нескольких нано-

вольт, а дрейф со временем и под

влиянием изменений температуры

крайне мал. Шум усилителя вида 1/f

воспринимается как погрешность по

постоянному току и также значитель-

но уменьшается. Усилители с нулевым

дрейфом имеют много преимуществ,

которыми пользуются разработчики,

поскольку от дрейфа температуры

и шума 1/f, всегда присутствующих

в системе, иными способами очень

трудно избавиться. Кроме того, усили-

тели с нулевым дрейфом обеспечива-

ют более высокий коэффициент уси-

ления разомкнутой системы, больший

коэффициент подавления влияния

напряжения питания (PSR) и лучше

ослабляют синфазный сигнал по срав-

нению со стандартными усилителя-

ми. Кроме того, их погрешность на

выходе меньше, чем у стандартных

прецизионных усилителей в той же

конфигурации.

ПРИЛОЖЕНИЯ ДЛЯ УСИЛИТЕЛЕЙ С

НУЛЕВЫМ ДРЕЙФОМ

Усилители с нулевым дрейфом

используются в системах с расчетной

долговечностью более 10 лет и в схе-

мах с высокими коэффициентами уси-

ления замкнутой цепи (>100), рабо-

тающих на низких частотах (<100 Гц), и

сигналами малой амплитуды. К числу

таких приложений относятся преци-

зионные весы, медицинские приборы,

высокоточное метрологическое обо-

рудование, датчиковые интерфейсы.

ПРИНЦИП АВТОКОРРЕКЦИИ НУЛЯ

Такие усилители с автоматической

установкой нуля как семейства AD8538,

AD8638, AD8551 и AD8571, как правило,

корректируют входное смещение за

две фазы синхронизации. Во время

первой фазы (см. рис. 1) ключи ϕА

закрыты, а ключи ϕВ — открыты.

Напряжение смещения обнуляющего

усилителя измеряется, а его значение

сохраняется на конденсаторе CM1.

Во время фазы синхронизации В

ключи ϕВ закрыты, а ключи ϕА —

открыты, как показано на рисунке 2.

Напряжение смещения основного

усилителя измеряется, а его значение

сохраняется на конденсаторе CM2, в

то время как сохранившееся значе-

ние на конденсаторе CM1 обеспечи-

вает смещение обнуляющего усили-

теля. Суммарное смещение поступает

на основной усилитель при обработ-

ке входного сигнала.

Функция выборки и хранения пре-

вращает усилители с автокоррек-

цией нуля в системы с дискретной

выборкой данных, вызывая эффекты

наложения спектров и зеркального

отражения (эффект стробоскопа).

На низких частотах шум изменяется

медленно, поэтому вычитание двух

последовательных выборок сигнала

шума обеспечивает полную компен-

сацию. При более высоких частотах

эта корреляция уменьшается, и пото-

му погрешности вычитания приво-

дят к ограничению широкополосных

составляющих, которые «отражают-

ся» в основную полосу частот. Таким

образом, у усилителей с автокор-

рекцией нуля больше внутриполос-

ный шум, чем у стандартных ОУ. Для

уменьшения НЧ-шума следует повы-

сить частоту выборки. Однако при

этом в сигнальный тракт инжектиру-

ется дополнительный заряд от ком-

мутирующих ключей. Тракт сигнала

заключает только основной усили-

тель, поэтому создается сравнитель-

но большая полоса пропускания с

единичным усилением.

Рис. 1. Фаза А обнуления усилителя с автокоррекцией нуля

Рис. 2. Фаза В обнуления усилителя с автокоррекцией нуля

48

АН

АЛ

ОГ

ОВ

ЫЕ

КО

МП

ОН

ЕН

ТЫ

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ПРИНЦИП РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЯ СО

СТАБИЛИЗАЦИЕЙ ПРЕРЫВАНИЕМ

На рисунке 3 показана блок-схема

чопперного усилителя ADA4051,

в котором используется контур

обратной связи с автокоррекцией

(Autocorrection Feedback, ACFB). В

основной сигнальный тракт входит

цепь прерывания CHOP1, управляе-

мый напряжением усилитель тока

Gm1, выходная цепь прерывания

CHOP2 и управляемый напряжени-

ем усилитель тока Gm2. Цепи CHOP1

и CHOP2 модулируют исходное сме-

щение и шум 1/f от Gm1 вплоть до

частоты прерываний. Управляемый

напряжением усилитель тока Gm3

считывает модулированные пульса-

ции на выходе CHOP2. Цепь прерыва-

ния CHOP3 демодулирует их в сигнал

постоянного тока. Все три цепи пре-

рывания переключаются при 40 кГц.

Наконец, управляемый напряже-

нием усилитель тока Gm4 обнуляет

составляющую постоянного тока на

выходе Gm1, которая, в противном

случае, воспринималась бы как пуль-

сация выходного тока. Узкополосный

режекторный фильтр переключае-

мого конденсатора выборочно пода-

вляет нежелательные пульсации,

вызванные смещением, не искажая

требуемый входной сигнал с выхо-

да всей цепи. Фильтр синхронизует-

ся с тактовым сигналом прерывания,

успешно отфильтровывая модулиро-

ванные компоненты.

КОМБИНАЦИЯ ДВУХ МЕТОДОВ

В новой серии усилителей от

Analog Devices объединяются оба

метода. В усилителе AD8628 с нуле-

вым дрейфом (см. рис. 4) использует-

ся автокоррекция нуля и прерывание,

снижающие потребление энергии на

частоте прерывания. При этом уро-

вень шума очень низкий при более

низких частотах. Данный комбини-

рованный метод увеличивает полосу

частот по сравнению с теми схемами,

в которых используются стандартные

усилители с нулевым дрейфом.

НЕДОСТАТКИ УСИЛИТЕЛЕЙ С

НУЛЕВЫМ ДРЕЙФОМ

Усилители с нулевым дрейфом явля-

ются составными устройствами, в кото-

рых используется цифровая цепь для

динамической коррекции аналоговых

погрешностей смещения. Инжекция

заряда, интермодуляционное искаже-

ние и рост времени восстановления

из-за перегрузок, возникающих при

цифровой коммутации, приводят к

проблемам в плохо спроектированных

аналоговых цепях. Величина прохож-

дения тактового сигнала увеличивает-

ся с ростом коэффициента замкнутой

цепи обратной связи или сопротив-

ления источника питания. Выходной

фильтр или меньшее сопротивление

на неинвертирующем входе снижают

этот эффект. Кроме того, пульсации

на выходе усилителя с нулевым дрей-

фом увеличиваются по мере того, как

частота входного сигнала достигает

значения частоты прерывания.

ЧТО ПРОИСХОДИТ С СИГНАЛАМИ

НА ЧАСТОТАХ ВЫШЕ ЧАСТОТЫ

ВНУТРЕННЕГО ТАКТОВОГО

ГЕНЕРАТОРА

Сигналы на частоте выше рабочей

частоты схемы автокоррекции нуля

могут усиливаться. Динамические

параметры такого усилителя зависят

от произведения коэффициента уси-

ления на ширину полосы пропуска-

ния, которое, в свою очередь, опре-

деляется основным, а не обнуляющим

усилителем. Рабочая частота усили-

теля с автоподстройкой нуля показы-

вает, при какой частоте коммутации

возникают искажения сигнала.

РАЗЛИЧИЯ МЕЖДУ

АВТОКОРРЕКЦИЕЙ НУЛЯ И

ПРЕРЫВАНИЕМ

При автоматической установке нуля

используется выборка для коррекции

смещения, тогда как в прерывании при-

меняется модуляция и демодуляция.

Дискретизация вызывает шум, приво-

дящий к отражению сигнала высокой

частоты в основную полосу частот. По

этой причине усилители с автокоррек-

цией нуля имеют больший внутрипо-

лосный шум. Для его подавления тре-

буется больший ток, что увеличивает

рассеиваемую мощность устройства.

У усилителей с прерывателем НЧ-шум

схож с шумом в плоской зоне, но эти

устройства рассеивают большое коли-

чество энергии на частоте прерывания

и ее гармониках. В таких случаях тре-

буется выходная фильтрация, поэтому

данные усилители пользуются наи-

большим спросом в НЧ-приложениях.

Типичные характеристики методов

автоматической установки нуля и пре-

рывания представлены на рисунке 5.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

УСИЛИТЕЛЕЙ С ДВУМЯ РАЗНЫМИ

ТОПОЛОГИЯМИ

Усилители со стабилизацией пре-

рыванием хорошо зарекомендовали

Рис. 3. Схема прерывания в ADA4051. Контур обратной связи с антикоррекцией компенсирует исходное смещение выхода Gm1, в результате чего пульсации уменьшаются

Рис. 4. В усилителе AD8628 используется комбинация двух методов для увеличения полосы пропускания

АН

АЛ

ОГ

ОВ

ЫЕ

КО

МП

ОН

ЕН

ТЫ

49

Электронные компоненты №3 2011

себя в низкочастотных (<100 Гц) при-

ложениях с малым потреблением, тогда

как усилители с автоматической уста-

новкой нуля с успехом применяются в

широкополосных системах. Устройство

AD8628, в котором реализуются обе

топологии, обеспечивают идеальную

работу широкополосных систем с

малым шумом и отсутствием ошибок

коммутации. В таблице 1 перечисле-

ны некоторые характеристики систем с

использованием рассмотренных топо-

логий.

ЛИТЕРАТУРА

1. “Bridge-Type Sensor Measurements Are

Enhanced by Auto-Zeroed Instrumentation

Amplif iers”. w w w.analog.com/librar y/

analogdialogue/cd/vol38n2.pdf#page=6.

2. “Demystifying Auto-Zero Amplifiers–

Par t 1”//w w w.analog. com/librar y/

analogdialogue/cd/vol34n1.pdf#page=27.

3. “Demystifying Auto-Zero Amplifiers–

Par t 2”//w w w.analog. com/librar y/

analogdialogue/cd/vol34n1.pdf#page=30.

4. MT-055 Tutorial, Chopper Stabilized

(Auto-Zero) Precision Op Amps//www.

analog.com/static/imported-files/tutorials/

MT-055.pdf.

Таблица 1. Характеристики систем с использованием трех топологий

Автокоррекция нуля Стабилизация прерыванием Комбинация двух методов

Крайне малое смещение, TCVOS Крайне малое смещение, TCVOS Крайне малое смещение, TCVOS

Выборка и запоминание Модуляция/демодуляцияВыборка и запоминание, модуляция/демодуляция

Высокий НЧ-шум из-за наложе-ния спектров

Шум, схожий с шумом в плоских зонах (наложение спектров отсутствует)

Суммарный шум

Большое энергопотребление Малое энергопотребление Большое энергопотребление

Широкая полоса пропускания Узкая полоса пропускания Самая широкая полоса пропускания

Минимальные пульсации Большие пульсацииМеньшие пульсации, чем во второй топологии

Малое потребление на частоте схемы коррекции

Большое потребление на частоте пре-рывания

Малое потребление на частоте схемы коррекции

Рис. 5. Типовые характеристики шума различных топологий усилителей

50

АН

АЛ

ОГ

ОВ

ЫЕ

КО

МП

ОН

ЕН

ТЫ

WWW.ELCOMDESIGN.RU

В статье анализируются разные способы калибровки прецизионных опе-

рационных усилителей, оцениваются их преимущества и недостатки.

АРХИТЕКТУРЫ ПРЕЦИЗИОННЫХ

ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

КЕВИН ТРЕТТЕР (KEVIN TRETTER), инженер по аналоговым компонентам, Microchip Technology

Во многих приложениях даже при

использовании прецизионных опера-

ционных усилителей (ОУ) необходимо

проводить калибровку. В таких случаях

лучший выбор — ОУ с низким напря-

жением смещения. Для правильного

выбора ОУ необходимо учитывать все

преимущества и недостатки каждого

типа архитектуры. В этой статье рассма-

триваются плюсы и минусы ОУ, исполь-

зующих ППЗУ-регулировку, лазерную

подстройку, автоподстройку нуля и

встроенную калибровку.

В прецизионных ОУ применяется,

как правило, одна из форм коррек-

ции входного напряжения смещения.

Входное напряжение смещения — это

разность напряжений на инвертирую-

щем и неинвертирующем входах ОУ,

которая может изменяться от микро-

вольт до милливольт. Величина сме-

щения зависит, в основном, от того,

насколько хорошо подобраны входные

транзисторы ОУ.

Кроме входного напряжения смеще-

ния на погрешность ОУ по напряжению

влияют и другие параметры, напри-

мер, изменения синфазного напряже-

ния, рабочего напряжения, выходного

напряжения, температуры и даже вре-

мени. Таким образом, внешние условия

могут существенно влиять на выбор

лучшей архитектуры ОУ для каждого

конкретного приложения.

ППЗУ-РЕГУЛИРОВКА

В некоторых прецизионных ОУ

для коррекции входного напряжения

смещения используется пережигание

соответствующих плавких перемычек

ППЗУ. Во многих случаях эта проце-

дура выполняется внутри корпуса во

время проведения финального тести-

рования. Такой подход является весьма

экономичным способом реализации

ОУ с низким начальным напряжением

смещения. Поскольку при этом ОУ регу-

лируется после сборки, одновременно

удается скорректировать все смещения

напряжения, связанные с процессом

изготовления. Другим преимуществом

такой архитектуры является то, что

ОУ настраивается производителем и

не требует последующей регулировки

пользователем. Отрицательная сторо-

на такого подхода заключается в том,

что ППЗУ занимает в чипе опреде-

ленное пространство, поэтому такие

устройства не могут быть реализова-

ны в сверхкомпактных корпусах. Стоит

добавить, что архитектура этих ОУ, как

и ОУ общего назначения, подвержена

влиянию окружающих условий, напри-

мер, температуры, а также чувствитель-

на к изменениям синфазного и рабоче-

го напряжений.

ЛАЗЕРНАЯ ПОДСТРОЙКА

Другим способом повышения точно-

сти ОУ является лазерная подстройка.

В такой процедуре для подгонки вели-

чины сопротивления тонкопленочных

резисторов внутри кремниевой под-

ложки используется лазер. Точность

такого подхода может быть достаточ-

но высокой, поскольку процесс кор-

ректировки является непрерывным, а

не дискретным, как в случае ППЗУ-

регулировки. К другим преимуще-

ствам данного метода можно отнести

температурную стабильность тонко-

пленочных резисторов, что повыша-

ет точность ОУ в широком диапазоне

температур.

Однако лазерная подстройка должна

применяться на стадии изготовления

подложки и не может быть использова-

на при сборке. В процессе разрезания

подложки на индивидуальные кристал-

лы, размещения кристалла в корпусе,

соединения кристалла с выводами

корпуса в подложке могут возникнуть

механические напряжения, негативно

сказывающиеся на точности всего ОУ.

Такие изменения, произошедшие во

время сборки, не могут быть учтены,

что увеличивает погрешность ОУ, изго-

товленных по данной технологии.

Как и ППЗУ-регулировка, лазерная

подстройка выполняется только один

раз в процессе изготовления устрой-

ства, поэтому возможности повтор-

ной корректировки ОУ не существу-

ет. Очевидно, что изменение внешних

рабочих условий, например, темпера-

туры или рабочего напряжения, будет

неблагоприятно сказываться на точно-

сти ОУ, и это может напрямую повлиять

на эксплуатационные качества системы

в целом.

ОУ С АВТОМАТИЧЕСКОЙ

ПОДСТРОЙКОЙ НУЛЯ

ОУ с автоподстройкой нуля имеют

архитектуру с непрерывной самона-

стройкой, в которой для коррекции

напряжения смещения основного уси-

лителя используется нуль-усилитель.

Такая архитектура позволяет достичь

очень низкой погрешности смещения,

которая может быть в 100 раз меньше,

чем у ОУ с ППЗУ-регулировкой. Такие

ОУ также имеют низкий дрейф смеще-

ния, и в них при использовании каче-

ственных источников питания и при

подавлении синфазных помех практи-

чески удается избавиться от фликкер-

шумов.

Поскольку в такой архитектуре

используется непрерывная автопод-

стройка входного напряжения сме-

щения, она по своей сути является

нечувствительной к изменениям окру-

жающей среды. Изменения темпера-

туры и старение, а также изменения

рабочего и синфазного напряжений

очень мало влияют на точность ОУ

с автоподстройкой нуля. При встраи-

вании схемы автоподстройки в чип

не требуется дополнительных входов

для подключения внешних цепей. С

точки зрения схемотехника, ОУ с авто-

подстройкой нуля, например, МСР6VО,

выглядит и функционирует как стан-

дартный ОУ, но имеет дополнительные

опции.

Несмотря на все свои достоинства,

ОУ с автоподстройкой нуля имеют ряд

ограничений. Непрерывная работа

встроенной схемы автоподстройки

приводит не только к возникновению

шумов переключения, но и к повы-

шению тока покоя в заданной полосе

частот. И, наконец, из-за очень высокой

точности устройств данного типа может

увеличиться время тестирования, что

повышает стоимость их изготовления.

ВСТРОЕННАЯ КАЛИБРОВКА

Другая альтернатива заключает-

ся в использовании прецизионных

ОУ со встроенной цепью калибровки.

Технология калибровки mCal, предло-

женная Microchip, позволяет реализо-

вывать ОУ с очень низкими начальными

напряжениями смещения, такими же

52

АН

АЛ

ОГ

ОВ

ЫЕ

КО

МП

ОН

ЕН

ТЫ

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Таблица 1. Сравнительные характеристики архитектур прецизионных ОУ

Архитектура Достоинства Недостатки

ППЗУ-регу ли-ровка (NVM)

Регулировка внутри корпуса на финальной стадии тестирования. Снижение времени тестирования

Не компенсируется временной и температурный дрейф

Может быть скомпенсирован дрейф напряже-ния смещения, возникший на стадии сборки

Более высокая точность требует использования ППЗУ и, следовательно, больше кремния

Лазерная под-стройка

Более высокая точность по сравнению с ОУ с ППЗУ-регулировкой

Нельзя компенсировать дрейф, связанный с про-цессом сборки

Высокая температурная стабильность тонко-пленочных резисторов

Не компенсируется временной и температурный дрейф

Автоподстройка нуля

Ультранизкое начальное напряжение сме-щения

Шумы переключения, сгенерированные внутренним нуль-усилителем

Температурный и временной дрейф по вели-чине на несколько порядков меньше, чем в других архитектурах

Более высокий ток покоя в заданной полосе частот

Превосходное подавление синфазных помех и пульсаций источника питания

Архитектура достаточно громоздкая с точки зрения занимаемой площади кремния, что снижает опцио-нальные возможности корпуса

Устраняется фликкер-шумИз-за сверхвысокой точности удлиняется время тестирования, а, значит, увеличивается и стоимость

Применение mCal-технологии (встроенная калибровка)

Временной и температурный дрейф может быть минимизирован при помощи периоди-ческой перекалибровки ОУ

Повторная калибровка может привести к смене кода настройки, что вызывает сдвиг смещения от одной калибровки к другой

как при использовании других архи-

тектур, но в отличие от ОУ с ППЗУ и

лазерной регулировкой, калибровка в

них может осуществляться при подаче

напряжения питания или при помощи

внешнего вывода. Это позволяет поль-

зователям перекалибровывать ОУ так

часто, как это требуется.

При частой перекалибровке точ-

ность ОУ перестает зависеть от окру-

жающих условий. Например, если

пользователь очень обеспокоен тем-

пературным дрейфом, погрешность

на дрейф может быть минимизиро-

вана за счет калибровки ОУ при каж-

дом изменении температуры на 5°С.

Конечно, такой подход позволяет

значительно снизить температурный

дрейф, но при этом требуется актив-

ное участие пользователя для под-

ключения вывода калибровки усили-

теля и ее запуска.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Большинство приложений может

выиграть от использования высоко-

прецизионных ОУ, однако для лучше-

го выбора усилителя проектировщи-

ки должны понимать все сильные и

слабые стороны каждой архитектуры,

нацеленной на достижение малого

смещения. Несмотря на то, что все

вышеописанные архитектуры имеют

низкое начальное напряжение сме-

щения, следует помнить, что на точ-

ность ОУ влияют окружающие усло-

вия. Использование ОУ с архитектурой

непрерывной самонастройки, таких

как ОУ с автоматической подстройкой

нуля или с возможностью перекали-

бровки по технологии mCal, позволяет

минимизировать отрицательное воз-

действие внешних условий. В табли-

це 1 сведены достоинства и недостат-

ки различных архитектур, которые

необходимо учитывать при выборе ОУ

для конкретных приложений.

СОБЫТИЯ РЫНКА

| ДОХОДЫ ПОСТАВЩИКОВ ИБП ПРЕВЫСИЛИ 7 МЛРД ДОЛЛ. | Рынок источников бесперебойного питания (ИБП) во второй

половине 2010 г. по сравнению с первым полугодием удвоился. По прогнозу аналитического агентства IMS Research, спрос на

ИБП вернется на предкризисный уровень к 2012 г. Мировой рынок ИБП продолжает быстро восстанавливаться после эконо-

мического кризиса. Так, его доходы в IV кв. 2010 г. оказались на 10,8% выше по сравнению с показателем 2009 г.

Джейсон деПро, аналитик из IMS Research, осторожно оптимистичен относительно дальнейшего восстановления

рынка ИБП: «Спрос на ИБП вырос, особенно в сегменте малого и среднего бизнесов, где требования к источникам питания

ниже, а решаемые задачи менее капиталоемкие. Вернулся интерес к совершенствованию больших центров обработки

данных, хотя этот сегмент рынка в значительной мере зависит от желания компаний развиваться, вкладывая средства в

новые проекты».

Доходы поставщиков ИБП достигли пикового значения в 2008 г., превысив 8 млрд долл. Половина из них пришлась

на долю «тяжеловесов» — компаний Schneider Electric, Eaton и Emerson Network Power. По мнению IMS Research, объемы

продаж в ключевых сегментах вернутся на докризисный уровень к 2012 г., частично за счет развивающихся рынков стран

БРИК.

По мере улучшения состояния рынков поставщикам ИБП придется искусно обходить трудности, связанные с недостат-

ком таких важных компонентов как IGBT. Кроме того, повышение цен на сырье и увеличение стоимости труда в азиатском

регионе уменьшает маржу и вынуждает «вздувать» цены, несмотря на то, что поставщики не готовы на такие крутые меры

в условиях неподготовленного рынка.

www.elcomdesign.ru

54

АН

АЛ

ОГ

ОВ

ЫЕ

КО

МП

ОН

ЕН

ТЫ

WWW.ELCOMDESIGN.RU

В статье описан экономичный метод построения ВЧ-фильтра с помо-

щью ЦАП.

КАК ПОСТРОИТЬ СОБСТВЕННЫЙ

ВЧ-ФИЛЬТР БЕЗ КОНДЕНСАТОРАДЭЙВ ВАН ЭСС (DAVE VAN ESS), инженер по применению, Cypress Semiconductor

Сигнал многих датчиков помимо

небольшой составляющей переменного

тока содержит значительную постоян-

ную составляющую. Для таких цепей (см.

рис. 1) сигнал должен быть связан по

переменному току и усилен, прежде чем

произойдет его оцифровка. Благодаря

обратной связи интегратора усилитель

мощности становится ВЧ-фильтром:

,

.

Достоинством этой топологии явля-

ется то, что погрешность смещения

входного сигнала интегратора позволя-

ет установить смещение постоянного

тока всей системы на выходе, а также

ее независимость от результирующего

коэффициента усиления (G). Кроме того,

амплитуда сигнала переменного тока

определяет максимальный коэффици-

ент усиления, а не постоянную составля-

ющую. Однако на практике у этой цепи

имеются три ограничения, которые тре-

буют использования дополнительной

схемы: время установления, подавление

помех и диэлектрические потери.

ВРЕМЯ УСТАНОВЛЕНИЯ

Время установления ВЧ-фильтра

tsettle является функцией приемлемого

разрешения постоянной составляющей

(nBits) и частоты среза фильтра (fhp):

.

При частоте фильтра 10 кГц и раз-

решении 8 бит время установления

равно примерно 89 мкс. Но при часто-

те 0,05 Гц и разрешении 12 бит оно

уже составляет 0,27 с. Очевидно, что

у ВЧ-фильтров, работающих на очень

небольшой частоте, время установле-

ния достаточно значительное.

Чтобы обойти это препятствие,

рабочая частота фильтра повышает-

ся на некоторое время, что позволяет

ускорить восстановление сигнала. Как

правило, это повышение осуществля-

ется с помощью аналогового переклю-

чателя, соединяющего параллельное

сопротивление небольшой величины с

входным сопротивлением интегратора.

Рис. 1. Добавление интегратора с обратной связью в дифференциальный каскад усиления создает ВЧ-фильтр с высоким входным и низким выход-ным импедансами и высоким номинальным коэффициентом усиления

Рис. 2. Иллюстрация механизма воздействия диэлектрических потерь на АЧХ при очень низких частотах

оцифровке, аналоговый интегратор

можно заменить ЦАП и простым циф-

ровым фильтром (см. рис. 4). Таким

образом, цифровой сумматор заменяет

интегратор.

В уравнении преобразования fs

представляет собой частоту выборки

АЦП и ЦАП:

,

.

Частота ВЧ-фильтра является функци-

ей коэффициента усилителя мощности,

частоты выборки и коэффициента осла-

бления в цепи обратной связи (а). Для

Рис. 3. Простая цепь была усложнена для решения конкретных задач разработки

Например, при использовании 0,05/10-

Гц ВЧ-фильтра следует определить, когда

необходимо быстрое восстановление.

ПОДАВЛЕНИЕ ПОМЕХ

Большие помехи на входе филь-

тра приводят к насыщению усилителя

и искажают выходной сигнал. Одним

из способов борьбы с таким явлени-

ем является быстрое восстановление

сигнала после возникновения помехи.

Другой способ состоит в отключении

интегратора от выходного сигнала

усилителя, который вот-вот перейдет

в режим насыщения. Вслед за восста-

новлением сигнала от усилителя после

помехи интегратор подключается к

нему снова. Подключение и отключение

интегратора реализуется с помощью

аналогового переключателя, установ-

ленного последовательно со входом

интегратора.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ

Диэлектрические потери обуслов-

лены неспособностью конденсатора

своевременно отдать всю запасенную

энергию. Автору этих строк довелось

на себе испытать сильный разряд кон-

денсатора после случайного прикосно-

вения к высоковольтным электродам

электронно-лучевой трубки цветного

телевизора, закороченным за 10 минут

до этого печального события.

Величина диэлектрических потерь

(Dielectric Absorption, DA) определяется

как отношение величин двух конденса-

торов (см. рис. 2). У керамических кон-

денсаторов X7R значение DA составляет

около 1%, и они вполне могут использо-

ваться в фильтрах на частотах вплоть до

1 Гц. При более низких частотах требу-

ются уже полиэфирные конденсаторы.

Типичное значение DA полиэфир-

ных и поликарбонатных конденсаторов

составляет около 0,2%. У полипропиле-

новых конденсаторов типичная величи-

на диэлектрических потерь равна 0,1%.

На рисунке 3 показано, как измени-

лась цепь фильтра, чтобы решить три

упомянутые проблемы. Так, в схеме

фильтра появились резистор, два ана-

логовых переключателя и один дорого-

стоящий конденсатор.

ЦАП ВМЕСТО ИНТЕГРАТОРА

Поскольку сигнал с датчика в боль-

шинстве приложений подвергается

АН

АЛ

ОГ

ОВ

ЫЕ

КО

МП

ОН

ЕН

ТЫ

55

Электронные компоненты №3 2011

Рис. 4. Во многих случаях решение использовать ЦАП и БИХ-интегратора в цепи обратной связи обходится дешевле, чем применение конденсато-ра с малыми диэлектрическими потерями

Рис. 5. Вместо ВЧ-фильтра с ЦАП в схеме обратной связи можно использовать блок ЦП

коэффициента усиления равного 100,

частоты выборки в 1 Квыб./с и частоты

фильтра 1 Гц коэффициент ослабления

составляет 15,915. Например, при коэф-

фициенте ослабления 214 частота филь-

тра равна 0,97 Гц. При такой реализации

происходит быстрое восстановление

сигнала, что уменьшает коэффициент

ослабления. При снижении этого коэф-

фициента до 210 частота фильтра уве-

личивается до 15,5 Гц. Можно избежать

больших помех в сумматоре, не разре-

шив ему выполнять обновления.

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ

В каскаде усиления рассматривае-

мого фильтра имеется цепь обратной

связи сумматора. Однако можно исполь-

зовать и другие схемы обратной связи. В

типичном случае выходное напряжение

усилителя (входной сигнал АЦП) опреде-

ляется следующим образом:

(Vin – VDAC) G = Vout,

.

При выборе Vin становится очевид-

ным, что разрешение АЦП повышается

в G раз. (Если у АЦП наименьший зна-

чащий бит соответствует 250 мкВ, раз-

решение считываемого сигнала, отне-

сенного к входному сигналу, составляет

250 мкВ/G). Этот метод позволяет уве-

личить разрешение АЦП.

Такой способ особенно выигрышен

при низком, медленно изменяющемся

напряжении постоянной составляющей

и быстро изменяющемся сигнале пере-

менного тока. Если установить коэффи-

циент усиления равным 16, разрешение

АЦП увеличится с 12- до 16-разрядного.

Однако ЦАП должен иметь очень хоро-

шую линейную характеристику или

показатель дифференциальной нели-

нейности (DNL). На рисунке 5 представ-

лено решение с использованием ЦАП.

В этой схеме из входного сигнала

вычитается (отфильтровывается) посто-

янная составляющая, величина кото-

рой задается напряжением ЦАП. Оно

определяется плотностью импульсов:

VDAC = VRef+ · Плотность +

+ VRef– · (1 – Плотность).

Фактическое преобразование плот-

ности импульсов в первом порядке

не является необходимым. Оно может

выполняться с помощью широтно-

импульсного модулятора, дельта-сигма

модуляции, случайной модуляции и т.д.

Значения RC выбираются так, чтобы

устранить пульсации. Чем выше плот-

ность логического сигнала, тем проще

его отфильтровать, чтобы получить

устойчивое значение напряжения ЦАП.

При этом рекомендуется использовать

конденсаторы X7R.

Поскольку стоимость ЦАП на рынке

постоянно снижается, обходятся без

дорогих конденсаторов. Применение

блоков логики или ЦП упрощает, уско-

ряет восстановление сигнала и обе-

спечивает подавление помех. Таким

образом, метод преобразования

импульсного сигнала с помощью ЦАП

удешевляет построение ВЧ-фильтра.

ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ ПРЕИМУЩЕСТВА

4 аналоговых и 16 цифровых каналов

(серия MSO)

Анализ аналоговых и цифровых сигналов при помощи одного прибора для поиска неполадок на системном уровне в сложных проектах.

Режим захвата FastAcq и дисплей с

цифровым люминофором

Быстрое обнаружение сбоев и редких событий с помощью патентованной технологии FastAcq(TM) компании Tektronix. Максимальная

скорость захвата >250 000 осциллограмм/с позволяет быстро обнаружить редкие аномалии.

Расширенная система запуска Быстрый захват аномалий сигнала при помощи более чем 350 доступных комбинаций системы запуска, включая время установки/

удержания, пакетов последовательных и параллельных шин.

Органы управления Wave Inspector® Простота поиска, установки меток и навигации по записям большой длины при поиске конкретного события.

Встроенные средства анализа Анализ тестируемого устройства при помощи 53 встроенных автоматических измерений, статистики, гистограмм и расширенных математических функций.

Запуск и анализ параллельных протоколов

передачи данных (для серии MSO)

Быстрая отладка параллельных шин при помощи автоматической синхронизации, декодирования и поиска. Захват переходных

процессов с разрешением по времени до 60,6 пс.

Запуск по последовательным протоколам

передачи данных и опции для анализа

Быстрая отладка последовательных шин I2 C, SPI, RS-232/422/485/UART, USB 2.0 при помощи автоматического запуска, декодирования и

поиска.

Пакеты прикладных программ Пакет для анализа джиттера и построения глазковых диаграмм в стандартной комплектации и свыше 10 дополнительных

опциональных пакетов программ для анализа источников питания, шин памяти и т. д.

Пассивные пробники напряжения с малой

емкостью

Четыре пробника с наилучшей в отрасли емкостной нагрузкой в 4 пФ в стандартной комплектации для обеспечения точности

измерений.

Модели с полосой пропускания

350 МГц, 500 МГц, 1 ГГц, 2 ГГц.

Частота дискретизации до 10 Гвыб./c

Приглашаем на выставку “ЭкспоЭлектроника” “ЭкспоЭлектроника” 19-21 апреля 2011 (“Крокус-Экспо”,пав.1, зал 2, стенд В14)

ООО «Мастер-Тул», Москва, 4-й Лихачевский пер., 15, стр. 3Тел.: (495) 926-7185; (499) 154-5181Факс: (495) 926-7185; (499) 154-0201www.master-tool.ru; E-mail: info@master-tool.ru

Осциллографы серии MSO/DPO5000

56

WWW.ELCOMDESIGN.RU

БЕ

СП

РО

ВО

ДН

ЫЕ

ТЕ

ХН

ОЛ

ОГ

ИИ

В настоящей статье представлены важные достижения в области имею-

щихся на рынке решений для измерения характеристик, моделирования

и проектирования нелинейных компонентов и систем на основе техно-

логии X-параметров*. X-параметры объединяют S-параметры, нелиней-

ные изменения выходного импеданса и современные методы измерения

сигнала для более полного описания нелинейных характеристик и преди-

ктивного проектирования нелинейных ВЧ- и СВЧ-компонентов и систем.

То, что раньше считалось невозможным, теперь доступно простым

инженерам.

X-ПАРАМЕТРЫ: КОММЕРЧЕСКИЕ

РЕАЛИЗАЦИИ ПОСЛЕДНИХ

ТЕХНОЛОГИЙ ПРЕДЛАГАЮТ НОВЫЕ

РЕШЕНИЯ ДЛЯ ПОВСЕДНЕВНЫХ ЗАДАЧДЭВИД РУТ (DAVID ROOT), ст. научн. сотрудник, Agilent Technologies

ВВЕДЕНИЕ

С момента первого представления

в 2008 г. компанией Agilent технологии

X-параметров в решении для нелиней-

ного векторного анализа цепей на базе

PNA-X (NVNA) она продолжает стреми-

тельно развиваться. Последние дости-

жения в этой области представлены в

статье [8]. Компания Agilent серийно

выпускает полный набор совместимых

программных и аппаратных инструмен-

тов на основе X-параметров, которые

уже переопределили промышленные

методы измерения характеристик,

моделирования и проектирования

нелинейных компонентов. Уже выпу-

щено несколько действующих прило-

жений, иллюстрирующих мощь и про-

стоту применения X-параметров для

решения широкого спектра важных

проблем, в которых современные ком-

поненты демонстрируют как высокоча-

стотное, так и нелинейное поведение.

Кроме того, благодаря появившимся

* Примечание: X-параметры являются товарным знаком компании Agilent Technologies

недавно средствам моделирования на

основе X-параметров в автоматизиро-

ванной системе проектирования ADS и

существенно расширенным возможно-

стям измерения X-параметров на осно-

ве NVNA многие преимущества кон-

цепции X-параметров распространены

теперь на существенно более широкий

спектр компонентов и приложений.

ИНТЕГРАЦИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ

МОЩНОСТИ В СОТОВЫЕ ТЕЛЕФОНЫ

Стремление продлить срок службы

аккумулятора в персональных ком-

муникационных устройствах требу-

ет более эффективной работы соот-

ветствующих усилителей мощности

(УМ). За эффективность приходится

расплачиваться нелинейностью, а

именно, генерацией внутриполосных

искажений, а также высших гармоник,

которые могут мешать нормальной

работе сотового телефона. Серьезной

проблемой является простота инте-

грации таких УМ в телефон и обе-

спечение, еще на этапе разработки,

соответствия усилителя общим харак-

теристиками системы при взаимо-

действии его с компонентами теле-

фона, такими как другие усилители

или антенна. В качестве конкретного

примера такой проблемы можно при-

вести двухдиапазонный усилитель

GSM/Edge, выпускаемый компанией

Skyworks для интеграции в сотовые

телефоны Sony-Ericsson [1]. Компании

Sony-Ericsson потребовалось измерять

эффекты рассогласования выхода уси-

лителя на основной частоте и их влия-

ние на уровень выходной мощности

или КПД (PAE) и уровни искажений

на второй гармонике, создававшие-

ся усилителем на выходе. В то время

не существовало систематического

способа решения этой проблемы без

создания и тестирования телефона с

использованием дорогого, трудоемко-

го, длительного и, в конечном итоге,

Рис. 1. Усилитель Skyworks

57

Электронные компоненты №3 2011

БЕ

СП

РО

ВО

ДН

ЫЕ

ТЕ

ХН

ОЛ

ОГ

ИИ

непрактичного метода гармоническо-

го анализа при различных значениях

выходного импеданса. Конструктор

компании Sony-Ericsson д-р Джоаким

Эрикссон узнал об X-параметрах из

технической литературы и попросил

Agilent помочь решить эту проблему с

помощью новых технологий. Усилитель

Skyworks показан на рисунке 1a.

X-параметрическая модель полного

усилителя, включая все контрольные

точки, была создана на основе измере-

ний NVNA. Сравнение модели с харак-

теристиками, приведенными в техни-

ческом описании, показано на рисунке

1б. Для предсказания зависимости рас-

согласования выхода от фазы сигна-

лов, попадающих на выходной порт

GSM, компания Sony-Ericsson исполь-

зовала защищенную от копирования

модель, причем усилитель работал в

области компрессии. Имитировались

также гармонические искажения раз-

личного порядка. Моделируемые зна-

чения X-параметров для рассогласова-

ния под нагрузкой выделены красным

эллипсом на рисунке 1в. Прежняя,

считающаяся лучшей и принятая в

качестве промышленного стандарта

методика («Горячие S-параметры»),

показана синим цветом. Независимые

контрольные измерения, выполнен-

ные с помощью NVNA, представлены

цветными символами. Выводы таковы:

X-параметры предсказывают рассогла-

сование при большом входном сигна-

ле, а Горячий S22 — нет.

X-параметры решили пробле-

му Sony Ericsson. Процесс измерения

характеристик этого усилителя и двух

других усилителей разных производи-

телей с помощью NVNA, извлечение

X-параметров, создание полной модели

УМ и моделирование рассогласования и

других параметров в САПР ADS заняло

три дня. Регистрация данных на терри-

тории заказчика с помощью стоечного

оборудования, включающего систему

изменения выходного импеданса, заня-

ла один месяц. Но этим возможности

решения на основе X-параметров не

ограничиваются. Это решение позво-

ляет создать полнофункциональную,

основанную на результатах измерений

нелинейную модель усилителя, которая

может свободно распространяться без

нарушения авторских прав и повтор-

но применяться в широком спектре

приложений и для последующих рас-

четов в САПР ADS. Эти преимущества

и новые возможности оказали такое

впечатление на д-ра Эрикссона, что он

воскликнул: «Мы и не думали, что такое

возможно!»

Из всего сказанного можно сделать

вывод, что X-параметры позволяют

выполнять предиктивное нелинейное

проектирование сложных нелинейных

систем из элементарных нелинейных

компонентов. X-параметры позволяют

решать сложные промышленные про-

блемы, причем полнее, с большими

преимуществами и за более короткое

время по сравнению с менее исчер-

пывающими стандартными решения-

ми. Вот почему большинство крупных

компаний старается использовать

X-параметры в процессе измерения

характеристик, моделирования и про-

ектирования. В качестве примера тен-

денций современного рынка элемент-

ной базы можно упомянуть тот факт,

что компания Agilent Technologies

будет избирательно поставлять на

внешний рынок монолитные СВЧ ИС

на основе GaAs и InP с прилагаемыми

X-параметрическими моделями. Среди

первых ИС с X-параметрическими

моделями будет усилитель на биполяр-

ных транзисторах с гетеропереходом

(HBT) (номер по каталогу Agilent HMMC

5200) и интегральный InP-смеситель на

50 ГГц (номер по каталогу Agilent 1GC1-

8068). Подробнее см. www.agilent.com/

fi nd/mmic.

X-параметры компонента позволя-

ют системному интегратору спроекти-

ровать функциональный блок и оце-

нить, насколько хорошо (или плохо) он

будет работать в системе. При исполь-

зовании в САПР ADS X-параметры

выступают в роли полностью интерак-

тивного «нелинейного электронного

технического описания», которое пре-

доставляет значительно более полную

информацию о компоненте для схем,

работающих с большим сигналом, чем

могут предоставить целые стопки

бумажной документации или табли-

цы Excel. Применение X-параметров

в САПР ADS позволяет обойтись без

Рис. 2. Два процесса проверки разрабатываемых схем

58

WWW.ELCOMDESIGN.RU

БЕ

СП

РО

ВО

ДН

ЫЕ

ТЕ

ХН

ОЛ

ОГ

ИИ

Рис. 3. Сравнение основных преимуществ методов проектирования на основе измеренных и смоделированных X-параметров

дорогостоящих и трудоемких в изго-

товлении макетных плат с реальны-

ми компонентами. Преимущество

электронного технического описания

еще и в том, что оно создает потен-

циальные выгоды для изготовителя

усилителя, который может предоста-

вить заказчикам загружаемые «вирту-

альные образцы X-параметров» своих

компонентов. X-параметры полностью

защищают интеллектуальную соб-

ственность разработчика компонента,

но точно описывают реальные нели-

нейные характеристики (при измере-

нии) и соответствие модели, на основе

которой они созданы (если созданы

по результатам моделирования). Это

является эволюционным шагом в элек-

тронной промышленности, включая

изготовителей компонентов и систем-

ных интеграторов.

X-параметры позволяют моделиро-

вать нелинейные показатели качества

(FOM) каскадно включенных нели-

нейных функциональных блоков, как

в примере с Sony-Ericsson. Возьмем,

например, такой параметр как отно-

сительный уровень мощности в сосед-

нем канале (ACPR). ACPR представляет

собой скалярный FOM. В общем слу-

чае невозможно предсказать, ска-

жем, ACPR всей цепочки нелинейных

компонентов, зная только ACPR всех

составных частей. X-параметры содер-

жат векторные описания искажения

(амплитуду и фазу), которые позволяют

моделировать взаимодействие компо-

нентов и распространение искажений

по цепочке нелинейных компонентов

с помощью САПР ADS. Посредством

X-параметров можно моделировать

в САПР ADS не только ACPR компо-

нента, но и изменения ACPR, вызван-

ные эффектами рассогласования,

которые возникают при встраива-

нии компонента в схему или систему.

Фактически, X-параметры позволяют

каскадировать нелинейные компонен-

ты так же, как S-параметры позволяют

каскадировать линейные компонен-

ты. Следовательно, общие нелиней-

ные FOM системы можно точно рас-

считать на этапе проектирования по

X-параметрам составляющих ее нели-

нейных компонентов. Это в корне

меняет методы проектирования нели-

нейных систем.

ПОКОЛЕНИЕ X: ВТОРОЕ ПОКОЛЕНИЕ

ТЕХНОЛОГИИ X-ПАРАМЕТРОВ

С появлением второго поколе-

ния технологий X-параметров Agilent

предлагает два законченных процес-

са проверки разрабатываемых схем.

Они показаны на рисунке 2. Сравнение

основных преимуществ методов про-

ектирования на основе измеренных и

смоделированных X-параметров при-

ведено на рисунке 3.

СОЗДАНИЕ X-ПАРАМЕТРОВ ПО

ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СХЕМАМ

Новый метод проектирования на

основе моделируемых X-параметров в

САПР ADS дает множество дополнитель-

ных преимуществ. Нелинейные ВЧ-цепи

и системы могут быть очень сложными

и содержать сотни и даже тысячи нели-

нейных компонентов. Учитывая слож-

ность системы со многими тысячами

нелинейных уравнений, моделирова-

ние всей цепи на уровне транзисторов

может оказаться вообще невозможным.

Но даже если удастся смоделировать

всю цепь, модель может работать так

медленно, что ограничит возможности

эффективной оптимизации или сделает

ее невозможной. В настоящее время с

помощью САПР ADS можно применять

X-параметры непосредственно внутри

симулятора и реализовать иерархиче-

ское проектирование. Возможности

нового «поколения X-параметров»

встроены в САПР ADS. Новые возмож-

ности САПР ADS достаточно универ-

сальны для создания многочастотных

и многопортовых моделей (смесителей

и преобразователей). Пример реаль-

ного 50-ГГц InP-смесителя (номер по

каталогу Agilent 1GC1-8068) приведен

на рисунке 4. Эта схема содержит более

40 биполярных транзисторов с гете-

ропереходом (HBT), выполненных по

собственной InP-технологии Agilent,

каждый из которых представлен HBT-

моделью компании Agilent [2]. Точность

представления X-параметров по срав-

нению с подробной моделью схемотех-

нического уровня является достаточно

типичной. Кроме того, даже в условиях

значительного рассогласования порта

ПЧ X-параметрическая модель обе-

спечивает гораздо более высокую точ-

ность по сравнению со схемотехниче-

ской моделью.

УЛУЧШЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

КОМПОНЕНТОВ НА ОСНОВЕ

X-ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ЗНАЧИТЕЛЬНОГО

ПОВЫШЕНИЯ СКОРОСТИ

Теперь существенно улучшенный

компонент моделирования на осно-

ве X-параметров в САПР ADS может в

полной мере использовать преимуще-

ства присущей X-параметрам высокой

скорости. X-параметрическая модель

изначально быстрее, поскольку она

описывает поведение компонента

на языке математики, понятном для

алгоритмов моделирования, которые

используются для наиболее эффектив-

ного решения нелинейных задач [3],

60

WWW.ELCOMDESIGN.RU

БЕ

СП

РО

ВО

ДН

ЫЕ

ТЕ

ХН

ОЛ

ОГ

ИИ

Рис. 4. Пример реального 50-ГГц InP-смесителя

в данном случае для анализа мето-

дом гармонического баланса и мето-

дом огибающей. В некоторых случаях

замена сложных схемотехнических и

«компактных» транзисторных моделей

X-параметрами ускоряла моделиро-

вание в 100 раз. X-параметры дают

высокодостоверное представление

поведения модели, на основе которой

они созданы. Фактически X-параметры

могут эффективно заменить все пове-

денческие модели, предлагаемые

ранее в САПР ADS, и обеспечить целый

ряд дополнительных преимуществ.

Снижение сложности при сохранении

прежней точности позволяет модели-

ровать более крупные узлы и даже

устройства целиком, вместо того

чтобы имитировать только ограничен-

ный набор функциональных блоков в

надежде на то, что их взаимовлиянием

можно пренебречь.

Еще до изготовления такого устрой-

ства как усилитель мощности можно

запустить систему его проектирования,

начав со схемотехнического модели-

рования компонентов, а затем преоб-

разовать эти модели в X-параметры и

эффективно выполнить проектирова-

ние на следующем уровне абстракции.

В конечном итоге, когда устройство

реально изготовлено, можно просто

заменить виртуальные X-параметры

X-параметрами, измеренными с помо-

щью NVNA, и выполнить детальную вос-

ходящую проверку на основе измерен-

ных значений.

ИЕРАРХИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

НЕЛИНЕЙНЫХ ВЧ-СИСТЕМ С

ПОМОЩЬЮ X-ПАРАМЕТРОВ

X-параметры делают возможным

иерархическое проектирование нели-

нейных систем, для которого не суще-

ствует базового эквивалента. В этом

отношении прослеживаются близкие

аналогии с широко распространенной

практикой применения S-параметров

для проектирования линейных систем

из линейных компонентов. Например,

можно объединить X-параметры

отдельных каскадов усилителя и полу-

чить одно X-параметрическое пред-

ставление каскадной структуры. В свою

очередь, это представление можно

объединить с X-параметрами смесите-

ля или преобразователя, иерархически

извлечь и многократно использовать

X-параметры всего входного тракта

ВЧ-системы. Пример ВЧ-системы, кото-

рая была разработана по модели уси-

лителя, созданной на основе измерений

реального усилителя Agilent HMMC 5200

HBT, и X-параметрической модели, осно-

ванной на результатах моделирования

реального 50-ГГц InP-смесителя Agilent

1GC1-8068, показан на рисунке 5.

ВОЗМОЖНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ

X-ПАРАМЕТРОВ ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ

X-ПАРАМЕТРЫ, ЗАВИСЯЩИЕ ОТ

НАГРУЗКИ

Часто при проектировании согла-

сующих цепей для мощных транзисто-

ров и усилителей мощности требуется

оптимизировать параметры качества,

такие как уровень выходной мощно-

сти или КПД. Комплексное выходное

сопротивление мощных транзисторов

приближается к 1 Ом и значительно

отличается от типового значения 50 Ом,

что дополнительно усложняет измере-

ния. Традиционно в таких измерениях

используется метод изменения выход-

ного импеданса. Тем не менее даже при

наличии полных данных для различных

значений выходного импеданса обыч-

но не удается создать полные двух-

портовые нелинейные модели компо-

нентов для типового проектирования.

Например, классические схемы изме-

нения выходного импеданса не дают

достаточной информации для проекти-

рования и оптимизации многокаскад-

ных усилителей, для которых требуют-

ся точные значения сдвига фазы между

входом и выходом и параметры вторич-

ных сигналов, включая гармоники на

входном порту. Благодаря возможности

совместного измерения X-параметров

с помощью автоматических тюнеров

X-параметры систематически решают

такие проблемы и дают значительно

более полную информацию о компо-

нентах, которую можно сразу же при-

менять в САПР ADS для нелинейного

проектирования. Это значит, данные

являются моделью.

В этом году компания Agilent и ее

торговый партнер Maury Microwave

объединили усилия, чтобы пред-

ставить еще одно передовое дости-

62

WWW.ELCOMDESIGN.RU

БЕ

СП

РО

ВО

ДН

ЫЕ

ТЕ

ХН

ОЛ

ОГ

ИИ

Рис. 5. Пример ВЧ-системы и X-параметрической модели

жение: произвольно зависимые от

нагрузки X-параметры. Это интегри-

рованное программно-аппаратное

решение объединяет ПО управления

изменением выходного импеданса

Maury ATS, тюнеры нагрузки Maury,

новую опцию 520 для Agilent NVNA

и компонент расширенного модели-

рования X-параметров в САПР ADS.

Фотография оборудования показана

на рисунке 6. Программное обеспе-

чение Maury работает на NVNA на

базе Agilent PNA-X. Простой графиче-

ский интерфейс позволяет задавать

сложные состояния по всей области

Смита. X-параметры измеряются и

калибруются с помощью встроенно-

Рис. 6. Программно-аппаратное решение

го защищенного алгоритма Agilent

в соответствии с неуправляемыми

гармоническими импедансами, реа-

лизуемыми посредством тюнера, и

корректируются для устранения всех

погрешностей и получения необходи-

мых дискретных вариаций комплекс-

ной нагрузки. На основе этих изме-

рений мгновенно создается полная

X-параметрическая модель нелиней-

ного двухпортового функционального

блока, представляющая зависимость

нелинейного поведения компонента

от мощности, частоты, комплексной

нагрузки и смещения. Чтобы начать

нелинейное проектирование согласо-

ванных цепей, многокаскадных усили-

телей и т.д., достаточно просто пере-

местить полученный файл. Прямая

связь между расширенными нелиней-

ными измерениями и возможностями

нелинейного проектирования позво-

лила Гари Симпсону, директору отде-

ла измерений ВЧ-устройств компании

Maury Microwave Corporation, назвать

это серийное решение «промышлен-

ной революцией».

Это решение в высшей степе-

ни автоматизировано, чрезвычайно

точно и дает значительно больше пре-

имуществ по сравнению с обычным

методом изменения выходного импе-

данса. В предельном случае малого

сигнала оно переходит в решение для

63

Электронные компоненты №3 2011

БЕ

СП

РО

ВО

ДН

ЫЕ

ТЕ

ХН

ОЛ

ОГ

ИИ

S-параметров. В отличие от обычного метода изменения

выходного импеданса, оно включает полную информацию

о сдвиге фазы между входом и выходом, а также ампли-

туды и межчастотные фазы гармоник. Это новое решение

на основе X-параметров не только включает S-параметры

и измерения при различных значениях выходного импе-

данса, но и предоставляет значительно более исчерпы-

вающую модель большого сигнала для проектирования в

САПР ADS.

Конкретное применение произвольно зависимых от

нагрузки X-параметров показано на примере серийно выпу-

скаемого транзистора (см. рис. 7). X-параметры позволяют

предсказать точные формы тока и напряжения транзистора

при любом сопротивлении по всей области диаграммы

Смита! Модель можно каскадировать даже в условиях силь-

ного рассогласования и использовать для предсказания

взаимного влияния компонентов, что идеально подходит

для проектирования многокаскадных схем. Этот новый

подход к проектированию выгодно дополняет традицион-

ные модели активных устройств. Особенно привлекатель-

ным он становится при отсутствии хороших «компактных»

SPICE- или ADS-моделей транзистора, как, например, в слу-

чае новых технологий (таких как GaN) или при появлении

нового компонента [5, 6]. Такой подход позволяет выпол-

нять имитацию сигналов во временной области на основе

измерений в условиях сильной компрессии практически

при любом сопротивлении. Впервые серийно выпускаемый

измерительный прибор может предоставить информацию,

обычно получаемую в результате моделирования в услови-

ях большого сигнала; в сущности, это «экспериментальный

гармонический баланс».

Помимо всего прочего, произвольно зависимые от нагруз-

ки X-параметры столь универсальны, что могут предсказы-

вать влияние независимо настраиваемых гармонических

терминаторов компонентов, даже если управление этими

терминаторами в процессе измерения характеристик не

может быть полностью независимым [7]. Это подтверждается

на рисунке 8 для GaN-транзистора мощностью 10 Вт. Эти при-

меры показывают, что для большинства мощных устройств

Рис. 7. Применение произвольно зависимых от нагрузки X-параметров

и усилителей необязательно применять громоздкие доро-

гостоящие системы гармонического изменения выходно-

го импеданса, которые для определения чувствительно-

сти устройства к гармоническим терминаторам используют

большое число состояний нагрузки (независимое управле-

ние каждой нагрузкой на каждом порту для каждой гармо-

ники). Это еще один случай, в котором X-параметры застав-

ляют заказчика сказать: «Мы и не предполагали, что такое

возможно».

Возможность применения многочастотных

X-параметров, уже доступных в САПР ADS, уже реали-

зована в виде приложения для NVNA. Это позволяет

измерять амплитуду и фазу интермодуляционных иска-

жений, зависящих от промежутка между тональными

сигналами, и может непосредственно использоваться

компонентом моделирования X-параметров в САПР ADS.

Эту калиброванную информацию о нелинейных меж-

частотных векторных искажениях можно использовать

при разработке цепей компенсации искажений и для

применения других принципов проектирования, таких

как наложение производных [9], которые до этого можно

было применять лишь при наличии полной уверенно-

64

WWW.ELCOMDESIGN.RU

БЕ

СП

РО

ВО

ДН

ЫЕ

ТЕ

ХН

ОЛ

ОГ

ИИ

сти в точности модели нелинейного

устройства. Более того, компания

Agilent расширила возможности

NVNA до измерения трехпортовых

устройств, таких как смесители и

преобразователи. Эта возможность

в корне изменила способ измере-

ния параметров этих фундаменталь-

ных компонентов и их применения в

ВЧ-системах.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ

ИЗМЕРЕНИЯ X-ПАРАМЕТРОВ

В настоящее время модельный

ряд NVNA включает приборы с диа-

пазоном частот 13,5; 26; 43,5 и 50 ГГц.

Это позволяет измерять X-параметры

на вдвое больших частотах, чем это

было возможно в момент выпуска

первого NVNA в 2008 г. Кроме того,

новые рекомендации по применению

описывают измерение X-параметров

устройств мощностью до 250 Вт! Это

позволяет использовать преимущества

X-параметров в таких сегментах рынка

как усилители базовых станций и мощ-

ные транзисторы.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРОВ

НА ОСНОВЕ X-ПАРАМЕТРОВ

Ценность X-параметров еще и в том,

что они предлагают дополнительный

подход к моделированию транзисто-

ров по сравнению с традиционными

«компактными» моделями, построен-

ными на основе физических или эмпи-

рических данных. Компактные модели,

такие как Берклеевская модель BSIM 4

MOSFET [10] и модель составного гете-

ропереходного биполярного транзи-

стора Agilent HBT [2], представляют

собой достаточно исчерпывающие

модели с обширным набором нели-

нейных уравнений. Каждая из них

имеет более 100 параметров, которые

надо извлечь для привязки модели

к данной технологии. На создание

точных уникальных моделей уходит

несколько лет, а на их соответству-

ющее извлечение можно потратить

от нескольких дней до нескольких

недель. Поэтому ощущается острая

потребность в быстрых, точных и

просто извлекаемых нелинейных

моделях для измерения параметров

устройств, для которых не существу-

ет хороших компактных моделей. Это

особенно справедливо для новых тех-

нологий, таких как GaN. К счастью,

существует простая процедура на

основе X-параметров, которая дает

привлекательный альтернативный

метод. Требуется просто измерить

X-параметры компонента с помощью

NVNA, переместить результирующий

файл в САПР ADS и затем можно тут же

приступить к проектированию нели-

нейных цепей. Примеры таких моде-

лей приведены на рисунках 7 и 8.

Приведем еще один пример от

пользователя NVNA и X-параметров

из Национальной лаборатории нано-

устройств в Тайване, демонстриру-

ющий извлечение X-параметров для

нового кремниевого транзистора с

кольцевой геометрией, для которо-

го не существовало готовой моде-

ли. Результаты этой операции были

представлены на Международном

микроволновом симпозиуме в

июне 2009 г. [5]. X-параметрическая

модель дала превосходный про-

гноз интермодуляционных искаже-

ний в широком диапазоне входной

мощности, а также очень хорошо

предсказала искажения во времен-

ной области при подаче на вход

сигнала с очень большим уровнем.

Результаты были представлены

Гуньяном с соавторами на конфе-

ренции IEEE ARFTG 2009, подтвердив

произвольно зависимые от нагруз-

ки X-параметры для GaAs MESFET

транзистора при подаче сигналов

WCDMA [6].

Эти примеры демонстрируют

применение X-параметров в каче-

стве точного, не зависящего от тех-

нологии метода моделирования.

Благодаря X-параметрам можно не

полагаться на то, что придет доктор

наук и реализует и отладит новую

компактную модель транзистора.

Теперь не требуется проводить дни

и недели, извлекая сотни параметров

обычной модели для использования

этого компонента в проектировании.

X-параметры гораздо проще в при-

менении, предусматривают большую

степень автоматизации и более вос-

производимы на основе измерений,

выполненных на NVNA, чем стандарт-

ные компактные модели, созданные

на базе режимов постоянного тока и

линейных S-параметров. Кроме того,

X-параметрические модели, полу-

ченные на основе измерений, очень

точны, поскольку нелинейные дан-

ные, соответствующим образом изме-

ренные с помощью NVNA, являются

основой для моделирования поведе-

ния компонента для применения в

САПР ADS.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

X-параметры прошли путь от увле-

кательных демонстраций до серийно

выпускаемых измерительных при-

боров (Agilent NVNA) и средств авто-

Рис. 8. Подтверждение универсальности X-параметров

65

Электронные компоненты №3 2011

БЕ

СП

РО

ВО

ДН

ЫЕ

ТЕ

ХН

ОЛ

ОГ

ИИ

матизированного проектирования

(ADS) [11]. Совместимые измерения

X-параметров на основе NVNA и проек-

тирование в САПР ADS с применением

X-параметров, полученных в результа-

те моделирования, так же просты, как

и знакомые линейные S-параметры,

но обладают при этом непревзойден-

ной производительностью и другими

существенными преимуществами.

X-параметры объединяют линейные

S-параметры, нелинейные изменения

выходного импеданса и современные

методы измерений, позволяя полнее

измерять нелинейные характеристи-

ки и выполнять предиктивное нели-

нейное проектирование ВЧ- и СВЧ-

компонентов и систем. Компания

Agilent предлагает лучшие в отрасли

продукты для каждой части нелиней-

ной головоломки с мощными встро-

енными алгоритмами и обеспечива-

ет их взаимодействие. Применение

X-параметров для лучшего выполнения

привычных операций значительно эко-

номит и время, и деньги. Совершенно

новые возможности X-параметров

позволяют использовать новые мето-

ды измерения характеристик, проекти-

рования и проверки, давая существен-

ные конкурентные преимущества тем

заказчикам, которые создают и при-

меняют нелинейные компоненты от

транзисторов до нелинейных ВЧ- и

СВЧ-систем.

ЛИТЕРАТУРА

Дж. Хорн, Дж. Верспех, Д. Гуньян, Л. 1.

Бетс, Д. Е. Рут и Джоаким Эрикссон.

«Моделирование и измерение

X-параметров усилителя телефона

GSM»//Дайджест европейской микровол-

новой конференции 2008. Амстердам.

Октябрь 2008 г.

М. Ивамото и Д. Рут. Модель Agilent 2.

HBT: обзор. Заседание совета по ком-

пактным моделям. Декабрь 2006. г.//

www.eigroup.org/cmc/minutes/4q06_

presentations/agilent_hbt_model_

overview_cmc.pdf.

Д. Е. Рут, Дж. Вуд и Н. Туфилларо. «Новые 3.

методы моделирования нелинейного

поведения ВЧ/СВЧ ИС по результатам

моделирования и нелинейных СВЧ

измерений». 40-й номер материалов

Конференции по автоматизации

проектирования ACM/IEEE. Анахайм,

Калифорния, США. Июнь 2003 г. С. 85–90.

Г. Симпсон, Дж. Хорн, Д. Гуньян и Д. Е. Рут. 4.

«Изменение выходного импеданса +

NVNA = Расширенные X-параметры для

проектирования усилителей мощности

с помощью независимых от технологии

моделей большого сигнала с большим

рассогласованием». Конференция IEEE

ARFTG. Портленд. Орегон. Декабрь 2008 г.

Чиу и др. «Определение характеристик 5.

кольцевых ВЧ LDMOS-транзисторов с

помощью модели полигармонических

искажений». Дайджест международного

микроволнового симпозиума IEEE MTT-S.

2009 г. С. 87–90.

Д. Гуньян и др. «Нелинейная проверка 6.

X-параметров с произвольной нагрузкой

и моделей, построенных на основе изме-

рений». Конференция IEEE MTT-S ARFTG.

Бостон. Массачусетс. Июнь 2009 г.

Дж. Хорн и др. «Прогнозирование 7.

гармонической нагрузки с помощью

X-параметров»//Симпозиум IEEE по

усилителям мощности. Сан-Диего.

Сентябрь 2009 г.

Д. Е. Рут и др. «X-параметры: новая 8.

парадигма измерений, моделирования

и проектирования нелинейных ВЧ и СВЧ

компонентов». Microwave Engineering

Europe. Декабрь 2008 г. С. 16–21//www.

mwee.com.

Д. Вестер, Дж. Скот, Д. Хейг. 9.

«Управление искажениями цепи с

помощью метода наложения произ-

водных». Письма IEEE по технике СВЧ и

волноводам. Том 6. № 3. Март 1996 г.

С. 125.

www-device.eecs.berkeley.edu/~bsim3/10.

bsim4.html.

www.agilent.com/fi nd/nvna и www.11.

agilent.com/fi nd/eesof-ads2009-update1.

66

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Сегодня разработчики всё чаще встречаются с требова-

нием повышения эффективности преобразования энергии

до 80% и выше. Эта тенденция обусловлена возрастающим

спросом на возобновляемые источники энергии, а также

развитием медицинских технологий и электротранспор-

та — ключевых факторов роста и в будущем. Особую

ак туальность приобрела разработка энергоэффективных

электронных устройств: импульсных источников питания

для электронных изделий и систем или инверторов для

преобразования солнечной энергии с конфигурациями

DC/AC, DC/DC или AC/AC. При создании экологически

чистых изделий и систем преследуется та же цель — наи-

меньшего потребления энергии.

Для инженера-разработчика это означает выполнение

многочисленных специализированных измерений мощ-

ности, необходимых для определения характеристик

источника питания и устранения неполадок. Прежде для

этого требовалось проводить статические измерения тока

и напряжения с помощью цифрового мультиметра с после-

дующим выполнением кропотливых расчетов на кальку-

ляторе или компьютере. Сегодня большинство инженеров

предпочитает использовать для измерения мощности

осциллографы.

Компания Tektronix предлагает для этой цели осцил-

лографы новой серии DPO/MSO 5000 на базе операци-

онной системы Windows, оснащённые новейшим ПО

для проведения анализа и специализированных изме-

рений мощности, которое называется DPOPWR. С его

помощью осциллограф превращается в современный

аналитический инструмент, который позволяет быстро

измерять и анализировать рассеяние мощности в ИИП

и магнитных элементах, а затем создавать подробный

протокол испытаний в формате, задаваемом пользова-

телем.

ПОДГОТОВКА К ИЗМЕРЕНИЯМ ПАРАМЕТРОВ ИСТОЧНИ-

КОВ ПИТАНИЯ

Для проведения достоверных измерений система изме-

рения мощности должна быть правильно настроена на

захват сигналов для последующего анализа и диагностики

неисправностей. При этом нужно учитывать следующие

важные моменты:

– устранение временного рассогласования между сиг-

налами пробников напряжения и тока;

– компенсацию смещения пробника;

– размагничивание токовых пробников.

Благодаря использованию прикладного ПО Tektronix

DPOPWR процедура выравнивания временных задержек

В статье описываются способы измерения характеристик обычного импульсного источника питания (ИИП)

постоянного тока с использованием осциллографов новой серии DPO/MSO 5000 на базе операционной системы

Windows, оснащённых новейшим программным обеспечением (ПО) для проведения анализа и специализированных

измерений мощности.

ДЭЙВ АЙЛЕНД (DAVE IRELAND), менеджер по техническому маркетингу, Tektronix

ДМИТРИЙ ГИНЬКИН, специалист отдела контрольно-измерительного оборудования, ООО «УниверсалПрибор»

Новые осциллографы

MSO/DPO 5000 — расширенные

возможности измерения мощности

осуществляется автоматически при подключении пробни-

ков к приспособлению для компенсации фазовых сдвигов.

В дифференциальных пробниках зачастую наблюдается

некоторое смещение напряжения. Поскольку подобное

смещение влияет на точность измерений, оно должно

быть устранено до начала процедуры тестирования. Боль-

шинство дифференциальных пробников оснащено встро-

енными органами управления смещением постоянной

составляющей, с помощью которых можно относительно

просто устранять смещение.

Аналогичным образом перед проведением измерений

может потребоваться регулировка смещения на токовых

пробниках. Она осуществляется путём приведения вели-

чины постоянной составляющей к нулю или к значению,

максимально близкому к нулю. У некоторых современных

пробников имеются встроенные функции автоматического

размагничивания и автоматической установки на нуль, для

выполнения которых достаточно лишь нажать на кнопку,

расположенную на блоке компенсации пробника.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ —

МАГНИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Магнитные компоненты являются важной составной

частью любого источника питания (ИП). В этой связи для

оценки стабильности и общей эффективности работы ИП

необходимо правильно определить параметры этих ком-

понентов.

Индуктивность. Параметры индуктивности различных

устройств, таких как катушки индуктивности или транс-

форматоры, могут быть автоматически измерены с помо-

щью осциллографа и прикладного ПО DPOPWR, которое

позволяет регистрировать изменения во времени напря-

жения и тока, а затем автоматически вычислять значения

индуктивности.

Потери магнитной энергии (магнитные потери).

Анализ магнитных потерь чрезвычайно важен для

определения показателей эффективности, надёжности

и производительности импульсных источников пита-

ния. Основными составляющими магнитных потерь

являются потери в сердечнике (в стали) и потери в

обмотке (в меди). В реальных измерениях практически

невозможно отделить эти потери друг от друга. Для

решения этой проблемы необходимо измерить величи-

ну полных магнитных потерь и вычесть из неё значение

потерь в сердечнике, которое приводится в техниче-

ских характеристиках каждого магнитного компонента.

ПО DPOPWR позволяет выполнять эти действия автома-

тически.

68

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Кривая намагничивания. Графики зависимости вели-

чины магнитной индукции B от напряжённости магнитного

поля H (кривые намагничивания) часто используются для

проверки насыщения (или отсутствия такового) в маг-

нитных элементах ИИП, а также для измерения потерь

энергии за цикл в единице объема материала сердечника.

Для анализа мощности ПО использует данные результатов

измерений напряжения на контактах магнитного элемента

и тока, протекающего через него, и на их основе автома-

тически рассчитывает зависимость B(H). Кривая намаг-

ничивания, построенная с использованием ПО DPOPWR,

показана на рисунке 1.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ —

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Почти все компоненты ИП способствуют увеличению

потерь энергии в той или иной форме. В ИИП большая

часть потерь энергии происходит в результате перехо-

дов переключающего транзистора из состояния «выкл.»

в состояние «вкл.» (потери при включении), и наоборот

(потери при выключении). Другими источниками потерь

в системе являются процессы переноса и излучения

энергии.

Потери можно минимизировать, если все компоненты

системы функционируют в пределах заданных рабочих

характеристик. Определение области безопасной работы

(ОБР, SOA) переключающего транзистора гарантирует, что

устройство не будет перегружено и станет функциониро-

вать в нормальном рабочем режиме.

Измерение потерь при переключении. Потери при

переключении появляются в тот момент, когда на схему

переключения подаётся напряжение (она включается)

и когда она обесточивается (выключается). Потери при

включении возникают, когда различные физические и

паразитные ёмкости заряжаются, катушки индуктивности

генерируют магнитное поле и проявляются связанные с

ними переходные резистивные потери. При отключении

питания энергия в схеме за счёт разряда ёмкостей какое-

то время продолжает взаимодействовать с различными

компонентами, в результате чего также возникают потери.

Измерение потерь при переключении с использованием

ПО для анализа мощности предполагает также измерение

напряжения на выводах переключающего транзистора и

силы тока, протекающего через него. Измерение потерь

при переключении с использованием ПО DPOPWR проде-

монстрировано на рисунке 2.

Детектор повышенной мощности. Динамически изме-

няющаяся нагрузка на разъёмах ИПП влияет на величину

общих потерь мощности. Это может привести к превыше-

нию устройством рабочих пределов напряжения и тока и,

следовательно, номинальной мощности. Поэтому для раз-

работчиков критически важно регулярно анализировать

потери мощности в переключающих компонентах (клю-

чах), чтобы иметь возможность гарантировать, что мгно-

венные значения мощности не выходят за установленные

пределы. Детектор повышенной мощности, встроенный в

ПО DPOPWR, позволяет обнаруживать в переключающем

сигнале мгновенные пики мощности. Этот аналитический

инструмент распознаёт и определяет численное значение

каждого пика мощности и обеспечивает создание сводной

таблицы этих событий. Помимо анализа мгновенных пико-

вых значений мощности детектор повышенной мощности

позволяет рассчитывать величину потерь мощности для

каждого заданного пикового значения.

Область безопасной работы. Область безопасной

работы переключающего транзистора в ИИП определяет

значения силы тока, протекающего через транзистор при

заданной величине напряжения. Поскольку транзистор

переключается между состояниями «вкл.» (режим насы-

щения) и «выкл.» (режим отсечки), нужно знать, при каких

максимальных значениях тока и напряжения он может

работать без саморазрушения. Поскольку при превыше-

нии этих пределов транзистор может выйти из строя, для

обеспечения надёжной и безопасной работы ИП очень

важно знать границы области безопасной работы устрой-

ства. ПО DPOPWR представляет данные об ОБР в виде

отдельной кривой. Разработчики ИИП могут использовать

эту информацию при проведении тестирования переклю-

чающих транзисторов в различных режимах работы. Всё

это в итоге значительно упрощает задачу проектирования

схем защиты. Область безопасной работы, полученная с

помощью DPOPWR, показана на рисунке 3.

АНАЛИЗ ВХОДНЫХ СИГНАЛОВ

Перенос электроэнергии от источника до конечного

потребителя является очень сложным процессом, вклю-

чающим производство электроэнергии, её передачу и

распределение. Изменения количества электроэнергии,

вырабатываемой на электростанции, а также уровень

спроса на неё, наряду с изменениями погоды, качеством

линий электропередач и электропроводки у конечно-

го пользователя — всё это влияет на общее качество

электроэнергии, которая доходит до нагрузки. Поскольку

ИИП представляет собой нелинейную нагрузку в линии

питания, сигналы входного напряжения и тока не явля-

ются идентичными. В некоторых частях входного цикла

сигнал тока искажается, в результате чего в нём генери-

руются гармоники. Измерения отдельных параметров

и суммарных показателей качества электроэнергии, а

также гармоник тока — это общепринятые измерения,

Рис. 1. Кривая намагничивания, построенная с использованием ПО DPOPWR

Рис. 2. Измерение потерь при переключении с использованием ПО DPOPWR

69

Электронные компоненты №3 2011

которые используются для анализа влияния ИП на линии

энергоснабжения.

Качество электроэнергии. Понятие качества элек-

троэнергии относится к способности нагрузки сохранять

работоспособное состояние при питании подаваемой на

нее электроэнергией. Измерение показателей качества

электроэнергии помогает выявить эффекты искажений,

вызываемых нелинейными нагрузками, в том числе соб-

ственно ИИП. Измерение параметров качества электро-

энергии на входе ИИП позволяет лучше понять, насколько

правильно функционирует ИП при заданном качестве

линии электропитания. Результаты измерения показателей

качества электроэнергии с помощью DPOPWR показаны на

рисунке 4.

Гармоники тока. Реальные ИП представляют собой

нелинейную нагрузку. Это означает, что величина нагрузки

увеличивается или уменьшается при изменении пользо-

вателем режимов работы, нагревании или охлаждении

устройства. Такие изменения нагрузки приводят к искаже-

ниям формы сигналов напряжения и тока. Нелинейность

проявляется, в частности, при включении или выключении

ИП в виде выбросов тока, вызываемых резистивными,

индуктивными и ёмкостными нагрузками, присутствующи-

ми во входящих линиях питания. Кроме того, изменения

исходного напряжения могут стать причиной нелиней-

ности при работе ИП. ПО для измерения мощности предо-

ставляет простой и быстрый способ документирования

реакции входной мощности на изменения нагрузки.

Общие показатели качества электроэнергии. ПО

DPOPWR позволяет проводить анализ общих показателей

качества электроэнергии в системе, в том числе сводной

таблицы параметров качества электроэнергии, а также

гармоник тока.

АНАЛИЗ ВЫХОДНЫХ СИГНАЛОВ

Важными видами измерений выходного сигнала, особен-

но для ИИП, являются измерения пульсаций от частоты сети

питания и пульсаций от частоты коммутации, времени вклю-

чения, а также спектральный анализ выходного сигнала.

Пульсации от частоты сети питания и от частоты ком-

мутации. Сигнал постоянного напряжения на выходе ИП

должен быть чистым, с минимальным количеством шумов

и пульсаций. Упрощённо, пульсации представляют собой

переменное напряжение, наложенное на постоянное

напряжение на выходе ИП. Пульсации от сетевой частоты

являются количественной мерой пульсаций выходного

напряжения, связанных с частотой сети питания. В свою

очередь, пульсации от частоты коммутации являются

количественной мерой высокочастотных пульсаций, обна-

руживаемых в выходном сигнале ИП и связанных с часто-

той переключения ключевых элементов. Частота сетевых

пульсаций в выходном сигнале, как правило, вдвое больше

частоты напряжения в сети питания. Пульсации от комму-

тации обычно связаны с шумами и имеют частотный диа-

пазон, измеряемый килогерцами. Разделение пульсаций от

частоты сети питания и пульсаций от частоты коммутации

представляет собой серьёзную проблему при определе-

нии параметров ИП. ПО для анализа мощности DPOPWR

помогает значительно упростить эту задачу.

Анализ спектра. Функция спектрального анализа, вхо-

дящая в состав ПО DPOPWR, позволяет проводить анализ

частотных компонентов, которые вносят электромагнит-

ные помехи в систему. Кроме того, эта функция позволяет

измерять уровень и частотный диапазон шумов и пульса-

ций в выходном сигнале постоянного напряжения. Этот

анализ помогает установить, есть ли какие-либо проблемы

с фильтрацией в тестируемом ИП.

Время включения. Время включения — это промежу-

ток времени от момента включения ИП в сеть до момента,

когда на его выходе появляется полезный сигнал, при-

годный к использованию. Традиционно значение этого

параметра определялось путём громоздких вычислений

или моделирования с использованием программы SPICE

(программы моделирования интегральных схем) или мате-

матических моделей. ПО DPOPWR позволяет упростить

этот процесс благодаря возможности автоматической

настройки осциллографа, измерения полного времени

включения и представления результатов измерений.

Кроме того, это ПО имеет дополнительную функцию, обе-

спечивающую одновременный анализ до трёх различных

выходных сигналов.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

НА СООТВЕТСТВИЕ

В связи со стремительным ростом потребления элек-

троэнергии особую важность приобретает обеспечение

качества систем энергоснабжения. Так, в частности, нечёт-

ные гармоники от ИИП могут вернуться обратно в элек-

тросеть. Это приводит к повышенному нагреву проводов и

трансформаторов в электрических сетях, поэтому возника-

ет необходимость существенного сокращения количества

гармоник в энергосистеме.

Первым шагом в этом направлении является тестирова-

ние систем энергоснабжения на соответствие стандартам

Международной электротехнической комиссии (МЭК, IEC),

таким как IEC61000-3-2, классы A, B, C и D, IEC61000-3-2

AMD14, классы C и D, а также военному стандарту MIL-STD-

1399. В этих документах изложены механизмы регулирова-

ния, гарантирующие обеспечение качества электроэнер-

Рис. 4. Результаты измерения показателей качества электроэнергии с помо-щью DPOPWR

Рис. 3. Область безопасной работы, полученная с помощью DPOPWR

70

WWW.ELCOMDESIGN.RU

гии при наличии нелинейных нагрузок. И если стандарты

IEC61000-3-2 могут рассматриваться в большей степени как

универсальные стандарты для обеспечения соответствия

электросетей, стандарт MIL-1399 предназначен для энерго-

систем военных кораблей.

Стандарт IEC61000-3-2 ограничивает количество гармо-

ник тока, внедряемых в системы электропитания. Он рас-

пространяется на любое электротехническое и электрон-

ное оборудование, которое имеет входной ток до 16 А в

одной фазе и подключается к низковольтным распредели-

тельным системам (однофазным до 230 В переменного тока

или трёхфазным до 415 В переменного тока). Стандарт под-

разделяется на классы: класс A — симметричное трёхфаз-

ное оборудование; класс В — переносные электрические

инструменты; класс С — световые приборы и устройства

регулирования; класс D — оборудование с особыми требо-

ваниями к форме токового сигнала.

С помощью ПО DPOPWR разработчики могут оценивать

соответствие характеристик своих устройств требованиям

стандартов ещё до проведения сертификации — зачастую

длительной и дорогостоящей процедуры. Это не только

упрощает разработку и отладку устройств, но и помогает

сократить время их выхода на рынок.

ФОРМИРОВАНИЕ ОТЧЁТОВ

Сбор данных, архивирование и документирование

результатов измерений является трудоёмким, но необхо-

димым этапом в процессе разработки оборудования. ПО

DROPWR имеет функцию формирования отчётов, которая

существенно упрощает документирование результатов

измерений и при этом позволяет создавать отчёты в зада-

ваемом пользователем формате.

ВПЕРЁД — К ЦИФРОВОЙ МОЩНОСТИ

В традиционных ИП используются аналоговые микро-

схемы с фиксированной функциональностью, обеспечива-

ющей контроль над выходной мощностью. В конструкцию

новых интеллектуальных ИП входят микроконтроллер или

цифровой сигнальный контроллер, которые позволяют

осуществлять программирование и гибкое управление

прибором. Ниже приведены примеры функциональных

возможностей интеллектуальных ИП.

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ:

– цифровое управление включением и выключе-

нием для уменьшения потребления энергии в режиме

ожидания;

– задание последовательности работы и возможность

замены без отключения питания;

– программируемый плавный запуск;

– регистрация предыстории ИП и защита от ошибок;

– возможность коррекции выходного напряжения;

– управление током с обратной связью;

– настройка стандартного опорного сигнала;

– контроль и регулировка схемы компенсации;

– полный цифровой контроль схемы управления пита-

нием;

– средства связи для мониторинга состояния и

управления.

Осциллографы смешанных сигналов серии MSO/

DPO5000 позволяют разработчикам одновременно про-

сматривать аналоговую и цифровую части силовых схем.

16 цифровых каналов позволяют захватывать цифровые

сигналы управления с разрешением по времени до 60,6 пс.

ВЫВОД

С помощью прикладного ПО для измерения мощности

DPOPWR в сочетании с новыми осциллографами MSO/

DPO5000 на базе операционной системы Windows®7 инже-

неры могут производить точные измерения очень быстро,

без затрат времени на настройку прибора и на ручные

вычисления. Прикладное ПО осциллографа выполняет эту

работу, а благодаря функциям захвата содержимого экра-

на и сохранения файлов пользователи имеют возможность

создавать и распечатывать документы высокого качества.

Единое графическое изображение позволяет увидеть и

настройки прибора, и как выглядит сигнал, и результаты

измерений.

СОБЫТИЯ РЫНКА

| ОПТИМИСТИЧНЫЙ ВЗГЛЯД НА РЫНОК СВЕТОДИОДОВ В 2011 г. | Похоже, 2011 г. станет еще одной яркой вехой рынка све-

тодиодов, — считают аналитики IMS Research. Если в 2010 г. объемы продаж светодиодов выросли на 67%, достигнув 8 млрд

долл., то в 2011 г. продажи голубых и зеленых, или GaN-светодиодов, увеличатся на 38%, составив 10,8 млрд долл. При этом

объемы поставок кристаллов вырастут на 49%, достигнув 62 млрд шт. Темпы роста сегмента приложений для телевизоров

будут наибольшими — 97%. При этом на долю светодиодов для использования в ТВ-панелях придется 51% поставок.

Ожидается также быстрый рост сегментов мониторов и систем общего освещения — по крайней мере, на 57% отно-

сительно 2010 г. Согласно IMS Research, темпы роста в I кв. 2011 г. увеличатся по сравнению со второй половиной 2010 г.,

когда имелись чрезмерные складские запасы, а количество светодиодов из расчета на одну панель снижалось. Ожидается,

что поквартальный рост объема продаж светодиодов, предназначенных для использования в ноутбуках, мониторах и

ТВ-панелях, превысит 5 млрд долл. благодаря новым проектам по созданию гибридных 240-Гц/3D-панелей для подсветки.

По прогнозам, лидером потребления светодиодов в I кв. 2011 г. станет компания Samsung, потеснив компанию LG Display,

лидировавшую весь 2010 г.

Несмотря на слабые результаты 2010 г. поставки систем MOCVD не снизятся благодаря тому, что производители све-

тодиодов продолжают наращивать мощности, ожидая поквартального повышения спроса на свою продукцию вплоть до

2015 г. Лидеры рынка — компании Aixtron и Veeco — сохранили свои доли, составившие в III кв. 2010 г. 53 и 44%, соответ-

ственно. При этом за весь прошлый год доля Veeco увеличилась с 31 до 42%, а доля Aixtron упала с 62 до 55%.

Если смотреть по регионам, то в IV кв. 2010 г. большие перемены произошли в доли Китая, которая увеличилась с 31

до 64%, тогда как доля Кореи снизилась с 27 до 5%. Ожидается, что высокая активность китайских производителей в при-

обретении MOCVD-систем не снизится на протяжении всего 2011 г., а рыночная доля этой страны вырастет до 70% или

выше. Таким образом, производство будет расти по мере стремительного увеличения рынка MOCVD. Кроме того, благо-

даря росту поставщиков светотехнической продукции, совершающих переход на использование 6-дюймовых пластин, у

поставщиков сапфировых пластин этого размера появится возможность снижать цены на свою продукцию.

www.elcomdesign.ru

72

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ВВЕДЕНИЕ

Мониторинг современных линий электропередач

предусматривает функции контроля энергоснабжения,

выравнивания нагрузки, защиты и измерения параме-

тров. Такой подход обеспечивает эффективную доставку

электроэнергии потребителю. Наряду с эффективной

поставкой энергии современные системы мониторинга

выполняют некоторые эксплуатационные функции, опре-

деляют и реагируют на аварийные ситуации, регистрируют

параметры и обеспечивают динамическое выравнивание

нагрузки и сохранение энергии, отслеживают (и контроли-

руют) качество доставки энергии и позволяют защищать

оборудование.

Реализация таких систем мониторинга возможна с помо-

щью АЦП, отслеживающих напряжение и ток в многофаз-

ных линиях. Однако для выполнения строгих требований

разных стандартов, а также для измерения и оптимизации

потерь коэффициента мощности такие преобразователи

должны быть синхронизированы, чтобы обеспечить одно-

временный замер параметров во всех трех фазах (плюс ней-

тральный провод). Синхронизация отдельных АЦП может

оказаться очень непростой задачей, поэтому производи-

тели предлагают многоканальные АЦП с одновременной

выборкой, выполненные в одном корпусе. Существуют еще

более интегрированные решения, позволяющие встроить

АЦП с одновременной выборкой в ASIC.

ЛОКАЛЬНЫЕ И МЕЖДУНАРОДНЫЕ СТАНДАРТЫ ИЗМЕРЕ-

НИЯ ХАРАКТЕРИСТИК

Развитие и широкое внедрение современных систем

мониторинга линий электропередач затруднено из-за раз-

Стремление повысить мощность и снизить расход энергии стимулируют рост инвестиций в развитие единой

инфраструктуры электросетей. В результате системы мониторинга электросетей становятся критически-

ми элементами в новых интеллектуальных энергетических системах как в однофазных, так и в многофазных

приложениях. Чтобы удовлетворить жесткие требования к таким системам мониторинга, разработчики

систем релейной защиты или многоканальных систем SCADA используют высокопроизводительные многока-

нальные АЦП с одновременной выборкой.

МАРТИН МЭЙСОН (MARTIN MASON), директор департамента прецизионных АЦП, Maxim Integrated Products

Снижение стоимости мониторинга

электросетей с помощью

высокопроизводительных АЦП

с одновременной выборкой

нообразия международных стандартов, определяющих

точность измерения мощности. Измерение характеристик

поставляемой электроэнергии должно проводиться в

соответствии со стандартами предприятий и международ-

ными стандартами. Стандарты Европейского Союза (ЕС) EN

50160, IEC 62053 и IEC 61850 задают минимальную точность,

необходимую для современных многоканальных АЦП,

используемых в системах мониторинга линий электропе-

редач. На мониторинг электросетей также оказывают вли-

яние ужесточающиеся требования по точности измерений,

связанные с контролем над поставкой энергии в реальном

времени, обнаружением аварийных ситуаций и защитой

оборудования, а также с динамической компенсацией

нагрузки. Например, стандарт IEC 62053 Class 0.2 (наиболее

распространенный во всем мире) определяет точность

измерительных приборов на уровне 0,2% от номинального

значения тока и напряжения. Для точного измерения коэф-

фициента мощности согласование фаз должно составлять

0,1% и выше.

Международные стандарты и стандарты предприятий

задают не только минимальную точность, но и определя-

ют частоту опроса, требуемую для работы современных

систем мониторинга и измерения параметров, что необ-

ходимо для проведения точного анализа многочислен-

ных гармоник высшего порядка в сети переменного тока,

а также для обнаружения таких аварийных ситуаций как

мгновенные всплески и падения напряжения. Очевидно,

что такие приложения требуют высокой точности одно-

временных многоканальных измерений в широком дина-

мическом диапазоне вплоть до 90 дБ с частотой опроса

16 Квыб./с и выше.

Таблица 1. Требования стандарта EN 50160

Параметры напряжения питания Допустимые пределыИнтер вал

изме ре нияПериод мони-

торингаВыбо роч ный конт роль, %

Частота электропередачи 49,5…50,5 Гц, 47…52 Гц 10 с1 неделя

95, 100

Медленные изменения напряжения 230В ±10% 10 мин 95

Падения напряжений (≤ 1 мин) 10—1000 раз в году (ниже 85% от номинального значения)

10 мс1 год

100

Короткие прерывания (≤ 3 мин) 10—100 раз в году (ниже 1% от номинального значения)

Случайные длинные прерывания (> 3 мин) 10—50 раз в году (ниже 1% от номинального значения)

Временные перенапряжения (фазное напряжение) В основном, < 1,5 кВ –

Кратковременные перенапряжения (фазное напряжение) В основном, < 6 кВ – –

Разбаланс напряжения В основном, 2%, но бывает до 3%10 мин 1 неделя 95

Гармонические напряжения 8% THD (суммарное значение коэффициента нелинейных искажений)

73

Электронные компоненты №3 2011

Рис. 1. Типовая система мониторинга электросетей с многоканальными АЦП с одновременной выборкой

Многие страны приняли версии стандартов ЕС, поэтому

их можно считать хорошим примером требований, предъ-

являемых к системе измерений. В таблице 1 сведены тре-

бования, определенные стандартом EN 50160.

Для напряжений с частотой 50/60 Гц стандарт EN 50160

рекомендует проводить измерения до гармоники 25 по-

ряд ка. Однако в случае нелинейных нагрузок, таких как

моторы и драйверы импульсных источников питания,

измерения должны проводиться до гармоники 127 поряд-

ка для напряжений питания с частотой 50/60 Гц.

Следует отметить, что в некоторых стандартах, таких

как IEC 61850, рекомендуется регистрировать измеряемые

параметры с частотой опроса не ниже 256 замеров за

период переменного напряжения.

ТИПОВЫЕ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ЭЛЕКТРОСЕТЕЙ

Во всем мире принят стандарт трехфазных рас-

пределенных линий электропередач, соединенных в

конфигурацию «звезда». В этой топологии три напря-

жения смещены по фазе друг относительно друга на

одну треть периода (120°), а линии имеют общую точку,

к которой подключен четвертый — нейтральный про-

вод. Этот провод часто используется для выравнива-

ния несбалансированной нагрузки. Если нагрузки на

каждой из трех фаз равны, система сбалансирована, и

в нейтральном проводе тока нет. На рисунке 1 пока-

зана типовая схема мониторинга электросетей. Ток и

напряжение в каждой из силовых фаз измеряются с

помощью трансформатора тока (СТ) и трансформатора

напряжения (РТ), или потенциального трансформатора.

Вся система состоит из четырех пар таких трансформа-

торов (по одной паре на каждую из фаз плюс нейтраль-

ный провод).

Как видно из рисунка 1, АЦП одновременно измеряют

токи и напряжения в трех фазах и в нейтральном прово-

де. Выполняя цифровую обработку измеренных и преоб-

разованных в цифровой код данных, можно определить

значения активной, реактивной и полной составляющих

мощности, рассчитать величину коэффициента мощности

и динамически выровнять нагрузку линий для его кор-

74

WWW.ELCOMDESIGN.RU

рекции, что увеличивает эффективность всей системы

электропередачи. При помощи быстрого преобразования

Фурье (БПФ) измеренных параметров можно получить их

частотные и спектральные распределения, позволяющие

выявить информацию о потерях в системе и влиянии

нежелательных помех.

ТРЕБОВАНИЯ К МОНИТОРИНГУ ЭЛЕКТРОСЕТЕЙ

Для соответствия стандартам оборудование системы

мониторинга должно измерять значения тока и напря-

жения с частотой опроса 60 Гц × 256 замеров или выше

15,360 Квыб./с. Данные требования и необходимость обе-

спечения точности в широком динамическом диапазоне

вплоть до 90 дБ определяют базис для выбора АЦП для

таких систем.

Динамический диапазон АЦП для измерения напря-

жений может быть рассчитан, исходя из максимального

и минимального значений регистрируемых напряжений

с учетом заданной точности измеряемой мощности.

Например, если система рассчитана на измерение вре-

менных перегрузок по напряжению до 1,5 кВ (в случае

аварийных ситуаций) при номинальном регистрируемом

напряжении 220 В и заданной точности 0,2%, полный дина-

мический диапазон блока измерения напряжения должен

быть, по крайней мере, равен:

20log((1500/220) · 2000) = 86 дБ.

Примечание. В этих расчетах заданная точность систе-

мы полагалась равной 0,05% — выше, чем определенное

стандартом значение 0,2%. Точность в 0,05% выбрана для

надежного соответствия требованиям стандарта.

Требования к измерениям тока также влияют на выбор

параметров АЦП. Если требования к системе для монито-

ринга мощности соответствуют стандарту 100 А:10 А (10 А —

номинальное значение и 100 А — максимальное значение)

и точности 0,2%, полный динамический диапазон блока

измерения тока должен быть, по крайней мере, равен:

20log((100/10) · 2000) = 86 дБ.

Из этих примеров отчетливо видна необходимость

в высокопроизводительных современных АЦП. Для

динамического диапазона в 86 дБ следует использовать

16-разрядные АЦП, работающие с частотой выше 16

Квыб./с. Для обеспечения точных замеров тока и напря-

жения в трех фазах и в нейтральном проводе АЦП должен

одновременно опрашивать 8 каналов (четыре для измере-

ния напряжения и четыре для измерения тока). Более того,

системы, измеряющие и корректирующие коэффициент

мощности, чтобы обеспечить ее максимальную эффек-

тивность, должны компенсировать фазовые сдвиги (или

задержки), вносимые трансформаторами тока и напряже-

ния.

ВЫБОР АЦП

При выборе АЦП для мониторинга электросетей раз-

работчики должны исходить из заданной частоты опроса

и требований стандартов. В настоящее время им также

необходимо учитывать такие факторы как эффективный

входной импеданс (ZIN), возможность подстройки фазы сиг-

нала и небольшие габариты корпуса. Сопоставив все эти

требования, разработчики систем мониторинга силовых

линий или многоканальных систем SCADA (диспетчерское

управление и сбор данных) остановили свой выбор на

многоканальных высокопроизводительных АЦП с одно-

временной выборкой.

Существует несколько типов АЦП, способных удовлет-

ворить жестким требованиям стандартов в отношении

систем мониторинга электросетей. Большинство из них

являются 6-канальными 16-разрядными АЦП с одновре-

менной выборкой и частотой опроса до 250 Квыб./с.

Несколько компаний предлагает кристаллы, в состав

которых входят до 6 маломощных АЦП последовательного

приближения с частотой опроса до 250 Квыб./с. Maxim

предлагает ИС MAX11046, в состав которой входят 8 высо-

коточных маломощных 16-разрядных АЦП последова-

тельного приближения с частотой опроса до 250 Квыб./с.

Соотношение сигнал/шум для MAX11046 превышает 90 дБ.

ЭФФЕКТИВНЫЙ ВХОДНОЙ ИМПЕДАНС (ZIN)

Величина ZIN определяется входной емкостью и часто-

той опроса следующим образом:

ZIN = 1/(CIN · Fsample),

где Fsample — частота опроса, а CIN = 15 пФ.

Если АЦП характеризуется высоким значением ZIN, как

например MAX11046, он может быть подключен к транс-

форматорам тока и напряжения напрямую, что исключа-

ет применение внешних прецизионных инструменталь-

ных усилителей и буферов. В результате уменьшается

стоимость системы, место на плате и потребляемая

мощность. На рисунке 2 приведен пример однофазной

системы мониторинга на базе макетной платы MAX11046

EV, соединенной с трансформаторами, которые контро-

лируют линию питания. Из рисунка видно, что интер-

фейс между измерительными трансформаторами и

многоканальным АЦП с одновременной выборкой обе-

спечивает низкую стоимость решения и эффективное

пространственное размещение. Для трехфазной цепи

аналогичную схему необходимо воспроизвести для каж-

дой фазы.

ПОДСТРОЙКА ФАЗЫ СИГНАЛА

При преобразовании трансформатором напряжения

из более высокого в низкое происходит фазовый сдвиг

(или задержка). Такая задержка затрудняет работу при-

ложений по управлению мощностью или ее мониторингу.

Существуют два способа решения этой проблемы: либо

разработчики программно корректируют фазу на выходе

системы, либо преобразуют сигналы схемотехнически.

Устранение фазовых сдвигов сигналов тока и напряжения

Рис. 2. Пример однофазного мониторинга. Многоканальные АЦП с одновремен-ной выборкой, например, Maxim MAX11046, упрощают разработку современ-ных систем мониторинга линий электропередачи

75

Электронные компоненты №3 2011

СОБЫТИЯ РЫНКА

| В 2010 г. РЫНОК ОПТИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ ВЫРОС НА 35% | Согласно исследованию аналитической компании Ovum,

глобальный рынок оптических компонентов вырос на 35% в 2010 г. и составил 5,6 млрд долл. Это привело к восстановлению

телекоммуникационного рынка после глобальной рецессии 2009 г.

Рост рынка оптических компонентов является наилучшим индикатором расширения телекоммуникационной инфра-

структуры, т.к. рост в 2010 г. последовал за широким заключением новых контрактов в масштабах всей телекоммуникаци-

онной отрасли в 2009 г. Ожидается, что рынок оптических компонентов продолжит рост в 2011 г., но с меньшей скоро-

стью.

В IV кв. 2010 г. этот рынок вырос на 5% (седьмой квартал непрерывного роста). По типам продуктов на рынке опти-

ческих компонентов рост был обеспечен, в первую очередь, за счет конфигурируемых оптических мультиплексоров

ввода-вывода (ROADM) и фильтров, устройств передачи данных на длинные расстояния и дискретных компонентов для

передачи данных.

ROADM и фильтры представляют собой наиболее быстро растущий сегмент рынка с годовым увеличением объема

продаж на 46% до 0,9 млрд долл. в 2010 г. (включая рост на 10% в IV кв. 2010 г. до 260 млн долл. относительно предыдущего

квартала). Это намного превышает средний рост доходов в отрасли, равный 5%. В компании Ovum полагают, что перспек-

тива этого сегмента рынка выглядит благоприятной, т.к. ROADM являются основой всех транспортных сетей.

Многие поставщики оптических компонентов показали хорошие результаты в IV кв. 2010 г. По темпам роста лидировала

компания JDSU, которая увеличила объем продаж в 2010 г. на 75%, в том числе в IV кв. — на 17%.

www.elcomdesign.ru

позволяет точно измерить коэффициент мощности в кон-

фигурации «звезда». Сдвиг фаз между соседними линиями,

отличный от 120°, означает потери мощности. При точном

определении коэффициента мощности его можно скор-

ректировать для повышения эффективности энергосисте-

мы.

Обычно подстройка фаз сигналов в системах с много-

канальными 16-разрядными АЦП с одновременной выбор-

кой происходит на заключительном этапе цифровой обра-

ботки выходных данных АЦП. Именно так выполняется

коррекция фаз в высокоточном преобразователе данных

MAX11046 компании Maxim. При использовании этих АЦП

для подстройки фаз требуется непрерывная программная

обработка сигналов.

Некоторые из современных АЦП обеспечивают

фазовую коррекцию входных сигналов в диапазоне

0…333 мкс с задержкой, независимо устанавливаемой

по каждому каналу с шагом 1,33 мкс. Этот подход позво-

ляет отказаться от использования программной кор-

рекции. К таким устройствам относится 24-разрядный

4-канальный сигма-дельта АЦП MAX11040, обеспечи-

вающий не только фазовую подстройку сигналов, но и

высокоточные измерения до 32 каналов. В каждом кана-

ле можно осуществлять коррекцию фазы, что позволяет

компенсировать сдвиг, возникающий из-за внешних

трансформаторов или входных фильтров. Имеется вход

для внешнего сигнала SYNC, который позволяет перио-

дически синхронизировать выборку до 32 каналов (8

микросхем).

МАЛЫЕ РАЗМЕРЫ КОРПУСОВ

Во многих системах мониторинга электросетей важны

физические размеры устройств. Например, часто возни-

кает потребность контролировать работу большого коли-

чества многофазных линий электропередач, особенно

в энергораспределительных центрах. Предлагаемые на

рынке АЦП имеют разные значения параметра, который

характеризует площадь платы, приходящейся на реали-

зацию одного канала. Так, для реализации одного канала

АЦП MAX11040 требуется площадь в 15,9 мм2, что почти

в два раза меньше аналогичного показателя АЦП других

производителей.

Высокая плотность упаковки АЦП позволяет физически

разместить на плате большее количество каналов. За счет

этого снижаются размеры всего устройства, энергопотре-

бление и стоимость системы измерения.

ЗАЩИТА ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Оптимальная конструкция системы должна также обеспе-

чить ее защиту от перегрузок и аварийных ситуаций в линиях

электропередач. MAX11040 и другие АЦП данного семейства

имеют встроенную защиту от перенапряжений (аналогичную

защите от статического электричества), реализованную на

базе ограничительных диодов на 6 В и внутренней логиче-

ской схемы, устанавливающей аварийный флаг (бит) при

обнаружении высокого напряжения. Другие производители

АЦП предлагают иные схемотехнические решения, но и в

них, как правило, имеется внешняя диодная защита.

Детектирование коротких замыканий и разрывов в элек-

тросетях является основной функцией систем защиты на базе

АЦП и выполняется при анализе данных с этого преобразова-

теля. Критерии срабатывания реле защиты очень сложны и у

каждого производителя индивидуальны. Одинаково плохими

считаются ситуации как ложного срабатывания защиты, так и

несрабатывания ее в аварийной ситуации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современные системы мониторинга электросетей, обла-

дающие функциями динамического выравнивания нагрузки,

защиты оборудования и измерения параметров сигналов,

позволяют коммунальным компаниям (или потребителям)

эффективнее контролировать работу энергосистем.

Разные стандарты и требования усложняют развитие

и повсеместное внедрение таких систем мониторинга.

Жесткие технические условия, определенные стандартами

EN 50160, IEC 62053 и IEC 61850, задают правила измерения

мощности, минимальную точность и частоту опроса, необ-

ходимые для проведения в реальном масштабе времени

мониторинга поставки электроэнергии, обнаружения

аварийных ситуаций и защиты оборудования, а также

динамического выравнивания нагрузки. Эти стандарты

определяют критерии выбора АЦП, используемых в совре-

менных многоканальных системах мониторинга. Другими

факторами, влияющими на выбор АЦП, являются эффек-

тивный входной импеданс (ZIN), коррекция фаз сигналов и

малые размеры корпусов.

Современные многоканальные высокопроизводи-

тельные АЦП с одновременной выборкой являются опти-

мальным выбором при создании систем мониторинга

трехфазных линий, соединенных в конфигурацию «звезда».

Такие устройства позволяют создавать высокопроизво-

дительные системы с большой плотностью упаковки, одно-

временно снижая их стоимость и размеры плат.

76

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Основные области применения продукции HiRel

IR — аэрокосмическая и военная техника, медицинская

аппаратура, промышленное оборудование, работающее

в жестких условиях эксплуатации. International Rectifi er

является поставщиком «номер один» полупроводниковой

продукции класса HiRel в США и занимает второе место

среди поставщиков этой продукции в Европе. Позиция IR

на рынке HiRel уникальна тем, что компания производит

полную гамму полупроводниковых приборов для преоб-

разовательной техники.

Производственные предприятия IR имеют возможности

выпуска HiRel-продукции в соответствии со следующими

стандартами:

– MIL-PRF-19500 — «Общие технические требования к

полупроводниковым приборам»;

– MIL-STD-750 — «Методы испытаний полупроводнико-

вых приборов»;

– MIL-PRF-38534 — «Общие технические требования к

гибридным микросхемам»;

– MIL-PRF-38535 — «Общие технические условия к про-

изводству интегральных схем»;

– MIL-STD-883 — «Методы испытаний микросхем».

Номенклатура HiRel продукции IR насчитывает в настоя-

щее время несколько тысяч типов. На рисунке 1 приведена

классификация полупроводниковой продукции IR класса

HiRel.

Группа подразделений Aerospace & Defense компании

IR уже более 40 лет поставляет продукцию в следующие

сегменты рынка:

– военная техника наземных и морских вооружений;

– коммерческая и военная ракетно-космическая техника;

– гражданская и боевая авиация;

– атомная промышленность и флот;

Производство компонентов высокой степени надежности — HiRel (High Reliability) — ключевое направление

в деятельности International Rectifi er (IR). Компания предлагает одну из самых больших на рынке линеек HiRel-

продукции — дискретные приборы, интегральные микросхемы и модули в разнообразных исполнениях, в т.ч. в

высокотемпературном и стойком к воздействию радиации.

МАКСИМ СОЛОМАТИН, бренд-менеджер, «Компэл»

Дискретные HiRel-компоненты

International Rectifi er.

Технология и применение

– медицинская техника;

– подводная кабельная связь;

– погружное оборудование для нефтеразработок

наземного и морского базирования.

HiRel-продукция компании IR наиболее широко пред-

ставлена дискретными приборами. Центр разработки

дискретных компонентов HiRel IR находится в городке

Леомнистер (шт. Массачусетс, США). В центре прово-

дятся разработка, сборка, тестирование, квалифика-

ционные испытания дискретных полупроводниковых

приборов и гибридных модулей, а также квалификация

по классу К стандарта MIL-PRF-38534 и классу S MIL-PRF-

19500, сертификация по ISO 14001, ISO 9001 и AS 9100.

ДИСКРЕТНЫЕ HIREL-ПРИБОРЫ

Компания IR выпускает следующие типы дискретных

компонентов класса HiRel:

– диоды Шоттки;

– ультрабыстрые выпрямительные диоды;

– силовые MOSFET-транзисторы;

– IGBT-транзисторы.

ДИОДЫ ШОТТКИ И УЛЬТРАБЫСТРЫЕ ДИОДЫ

Линейка дискретных диодов Шоттки разделена на оди-

ночные (однокристальные) и сдвоенные приборы. Каждый

из сдвоенных диодов доступен в трех исполнениях с раз-

личной схемой включения: с общим анодом (ОА), общим

катодом (ОК) или же на основе полумостовой схемы для

умножителей напряжения (УН). Часть диодов Шоттки

доступна в исполнениях JANS, JANTX, JANTXV (имеется сер-

тификат DSCC).

Специально для высоковольтных и высокочастотных

(свыше 100 кГц) импульсных силовых схем IR предлагает

Рис. 1. Классификация полупроводниковой продукции класса HiRel IR

77

Электронные компоненты №3 2011

ультрабыстрые выпрямительные диоды. В их номенклату-

ре есть однокристальные диоды с мягким восстановлени-

ем и двукристальные с различными схемами включения:

ОА, ОК, УН. Имеются также двукристальные диоды с мяг-

ким восстановлением (схемы ОА, ОК, УН, а также сборки

двух независимых диодов).

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ HIREL

Силовые HiRel MOSFET по устойчивости к радиации

разделяются на стандартные и радиационностойкие, а

по числу размещаемых в корпусе кристаллов — на одно-

кристальные и многокристальные. На рисунке 2 показана

классификация HiRel MOSFET.

Силовые MOSFET выпускаются в разных корпусах для

различных уровней мощности и приложений. Маломощные

транзисторы выпускаются и в виде сборок, содержащих до

четырех транзисторов. На рисунке 3 приведены стандарт-

ные типоразмеры и топология кристаллов MOSFET IR.

КЛАССИФИКАЦИЯ СТАНДАРТНЫХ КОРПУСОВ

Дискретные приборы выпускаются в корпусах для

сквозного и поверхностного монтажа.

В зависимости от мощности дискретного прибора кор-

пуса бывают для приборов малой мощности (0,629 Вт) и

для приборов мощностью 75...300 Вт. На рисунке 4 показа-

ны возможные типы корпусов для дискретных приборов

класса HiRel. Корпуса выпускаются с самой разной кон-

струкцией выводов:

– обычные/укороченные;

– различная формовка выводов (вверх, вниз);

– корпуса для поверхностного монтажа с выводами;

– корпуса для поверхностного монтажа с формованны-

ми выводами;

– корпуса для поверхностного монтажа на носителе

(только SMD1 и SMD2).

Работа полупроводниковых приборов в широком

температурном диапазоне, высокая степень интеграции,

Рис. 2. Классификация MOSFET-транзисторов HiRel IR

Рис. 3. Стандартные типоразмеры и топология кристаллов MOSFET-транзисторов

78

WWW.ELCOMDESIGN.RU

а также надежность устройств в значительной степени

определяются конструкцией корпуса, а также используе-

мой технологией монтажа.

КОРПУСИРОВАНИЕ ВЫСОКОНАДЕЖНЫХ ПРИБОРОВ

Герметичность корпуса является важнейшим услови-

ем высокой надежности полупроводникового прибора

в тяжелых условиях эксплуатации. Герметичные корпуса

могут быть как выводными, так и безвыводными (LCC, или

CLCC — ceramic leadless chip carrier, безвыводной кера-

мический носитель кристалла). Выводные корпуса еще

продолжают использоваться в современных приборах,

однако более перспективными являются, безвыводные

SMD-корпуса, поскольку именно они обеспечивают мень-

шие размеры, вес и лучшие возможности по теплоотводу.

Отсутствие выводов позволяет увеличить и частотные

свойства приборов, поскольку отсутствует паразитная

емкость и индуктивность выводов. На рисунке 5 показаны

три типа герметичных корпусов, используемых IR для дис-

кретных приборов класса HiRel.

Пластиковые SMD-корпуса имеют ТКР (температурный

коэффициент расширения), который хорошо согласуется

с ТКР материала печатных плат (FR4) или полиамидной

пленки, на которых осуществляется монтаж. Однако эти

корпуса не способны обеспечить экстремальный темпера-

турный рабочий диапазон.

В отличие от пластиковых, керамические SMD-корпуса

не так популярны вследствие не очень хорошего согла-

сования ТКР корпуса с ТКР материалов печатных плат.

Особенно это проявляется на краях температурного диа-

пазона. Поэтому на этих корпусах могут появляться рас-

трескивания как в процессе пайки, так и во время темпе-

ратурных стрессов или же в результате термоциклов. Для

изделий, применяемых в авиакосмической и военной про-

мышленности, рекомендуется обязательное проведение

термоциклических испытаний с последующим анализом

герметичности корпусов.

КОНСТРУКЦИЯ SMD-КОРПУСА

Новый тип герметичных SMD-корпусов состоит из

следующих элементов: трех контактных площадок,

керамического основания (кристаллодержателя), гер-

метичного периферийного слоя и крышки. На рисунке 6

показана структура герметичного SMD-корпуса для

MOSFET-транзистора. Кристалл припаян с обратной сто-

роны (область стока) к большой контактной площадке.

Контакты истока и затвора кристалла соединены с малы-

ми контактными площадками корпуса проволочными

сварными соединениями. Все материалы корпуса подо-

браны так, чтобы обеспечить совместимость по ТКР и

отсутствие механических напряжений при термоциклах.

Материал основания — оксид алюминиевая керамика

(корунд).

CLCC-корпус имеет примерно такую же конструкцию,

только число контактных площадок у него больше трех и

может доходить до 40. Размер кристалла примерно такой

же. Есть только одно отличие — в CLCC для организации

сквозных соединений кристалла с выводами корпуса

используются вольфрамовые проволочки. Это обеспечива-

ет прохождение токов большей плотности и лучшие пара-

метры теплопередачи.

Значения ТКР для элементов SMD герметичного корпуса

представлены в таблице 1.

КОНСТРУКЦИЯ КОРПУСА TO-25X

На рисунке 8 показана конструкция корпуса ТО-25Х. Для

изготовления основания корпуса используется металлизи-

рованная бериллиевая керамика. Размеры и вес материа-

лов существенно больше, чем требуемые для корпуса типа

SMD. Собственно, увеличение размера корпуса связано с

использованием в конструкции выводных элементов. Ввод

и распайка выводов требуют большего пространства в

корпусе. Отсюда следует и увеличение размеров. Толщина

корпуса больше толщины SMD-корпуса в три раза.

КОРПУСА D2 И D3

Корпуса D2 и D3 (см. рис. 9) являются версиями корпусов

TO-257 и TO-254 с укороченными и уменьшенными выво-

дами. В этих корпусах используются те же конструкционные

материалы, что и в корпусах TO-257 и TO-254, только раз-

мер посадочного места меньше. Другое отличие — выво-

ды корпусов отформованы для поверхностного монтажа.

Основные параметры герметичных корпусов для дискрет-

ных HiRel-компонентов представлены в таблице 2.

Таблица 1. Значения ТКР для элементов SMD герметичного корпуса

Элементы корпуса Материал ТКР (ppm/C)

Кристалл Кремний 4,2

Выводные площадки Сплав медь-вольфрам 6

Основание корпуса Корунд (Al2О3 керамика) 6,4

Слой герметика Ковар 5,1

Крышка корпуса Ковар 5,1

Рис. 4. Типы корпусов для дискретных приборов класса HiRel

Рис. 5. Типы герметичных корпусов

Рис. 6. Структура трехвыводного SMD-корпуса

79

Электронные компоненты №3 2011

УМЕНЬШЕНИЕ ОМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ВЫВОДОВ

В КОРПУСАХ TO-257, TO-254, D2 И D3

Последние инновации в конструкции корпусов позво-

лили значительно улучшить омическое сопротивление

корпусов названных типов. В настоящее время доступны

версии корпусов с улучшенным омическим сопротивлени-

ем. Сопротивление корпусов модифицированных версий:

1 мОм — для корпусов TO-254 и D3 и 2 мОм — для корпу-

сов TO-257 и D2. Это главное усовершенствование достиг-

нуто за счет замены материала выводов: сплав 52 заменен

на сплав медь-цирконий, дополнительно выполнена и

металлизация подложки.

ПРЕИМУЩЕСТВА SMD-КОРПУСОВ ПО СРАВНЕНИЮ С

ВЫВОДНЫМИ КОРПУСАМИ

Сравнение размеров и веса различных типов кор-

пусов показано на рисунках 10—12. Во всех случаях

использовались корпуса с одинаковым размером кри-

сталлов.

SMD2 эффективен в основном при использовании в

единичных приборах. SMD3 по топологии ориентирован

на параллельное включение нескольких приборов для

увеличения нагрузочной токовой способности. В проектах

приборы в корпусах SMD2 или SMD3 могут заменять при-

боры в корпусах TO-254 или D3. Преимущество исполь-

зования корпусов SMD-типов неоспоримо, поскольку

при всех прочих равных условиях они обеспечивают как

уменьшение веса, так и уменьшение площади, занимаемой

при монтаже. Это особенно важно для аэрокосмических и

военных приложений, где ресурс веса и объема лимити-

рован.

СРАВНЕНИЕ КОРПУСОВ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ПО ЭЛЕКТРИ-

ЧЕСКИМ ПАРАМЕТРАМ

Корпуса SMD имеют низкое сопротивление корпуса

и низкую индуктивность выводов вследствие значи-

тельного уменьшения размеров выводов. Это обеспе-

чивает лучшие параметры быстродействия, лучшую

работу на высоких частотах и уменьшение потерь

мощности. В таблице 3 показаны сравнительные зна-

чения сопротивления и индуктивности выводов для

различных типов корпусов. Значения сопротивления и

индуктивность зависят от размеров выводов корпуса,

внутренней структуры и типа соединений «кристалл–

выводы».

СКИН-ЭФФЕКТ

При работе приборов на высоких частотах проявля-

ется так называемый скин-эффект, который приводит к

большим потерям мощности на выводах корпуса. Эти

потери могут быть даже больше потерь на омическом

сопротивлении выводов. Выводы корпусов TO-25X содер-

жат ферромагнитные материалы. При прохождении тока

через такие выводы возникает дополнительное маг-

нитное поле, которое приводит к возникновению скин-

эффекта. В результате ток проходит только по внешней

поверхности выводов. Глубина проводящего слоя обрат-

но пропорциональна квадратному корню из частоты.

Например, для выводов диаметром 40 mil1 (такой про-

вод используется для разварки кристалла в корпусах

типа TO-254) отношение компоненты динамического

сопротивления к активному сопротивлению на частоте

50 кГц составляет около 1,35. Отношение возрастает

до 1,75 (на ~29%) при возрастании частоты от 50 до

100 кГц. Отношение сопротивлений также является

функцией от диаметра выводов. Отношение сопротив-

лений увеличивается при увеличении диаметра выво-

дов. Увеличение динамической составляющей потерь

мощности снижает эффективность работы схемы.

Очевидно, что SMD-корпуса обеспечивают существенно

меньшие потери мощности за счет уменьшения сопро-

тивления выводов, их паразитной индуктивности, а также

уменьшения динамического сопротивления.

Таблица 2. Основные параметры герметичных корпусов для дискретных HiRel-компонентов IR

Тип корпуса Вес, г Площадь монтажа, мм2 Температурный коэффициент С/W Способ монтажа

SMD0,5 1,1 76 1,67 поверхностный

SMD1 2,6 181 0,83 поверхностный

SMD2 3,3 234 0,42 поверхностный

SMD3 3,4 250 0,42 поверхностный

D2 3,45 165 1,67 поверхностный/в отверстия

D3 7,2 286 0,83 поверхностный/в отверстия

TO-39 0,98 267 8,3 в отверстия

TO-257 7 219 1,67 в отверстия

TO-254 9,3 336 0,83 в отверстия

TO-258 10,9 447 0,42 в отверстия

SMD1/SMD2 на носителе 1,7 391 0,25 поверхностный

Рис. 7. Для соединений цепи стока используется пара сварных проволочек (вид сверху)

Рис. 8. Конструкция корпусов типа TO-25X

Рис. 9. Внешний вид корпусов D2 и D3

80

WWW.ELCOMDESIGN.RU

1 1 Mil = 0,025 мм

Рис. 10. Сравнение веса и площадей, занимаемых при монтаже корпусами TO-257, D2 и SMD0,5

Рис. 11. Сравнение веса и площадей, занимаемых при монтаже корпусами TO-254, D3 и SMD2

Рис. 12. Сравнение веса и площадей, занимаемых при монтаже корпусами TO-254, D3 и SMD2 на носителе

Таблица 3. Значения сопротивления и индуктивности выводов для различных типов корпусов

Корпус Сопротивление корпуса, мОмИндуктивность типовая, нГ

Стокового вывода Истокового вывода Всего корпуса

SMD5 1,3 — — 4

SMD1 0,4 0,8…2 2,8…4,1 4…6

SMD2 0,5 0,8…2 2,8…4,1 4…6

SMD3 0,1 0,8…2 2,8…4,1 4…6

TO-254/D3 6 5…8,7 8,7...15 15…23

TO-257/D2 8 5…8,7 8,7…15 15…23

TO-258 5 5…8,7 8,7…15 15…23

Low Ohmic TO-257/D2 2,5 5…8,7 8,7…15 15…23

Low Ohmic TO-254/D3 1 5…8,7 8,7…15 15…23

SMD1 и 2 Carrier 0,2 — — 2

рения должно быть в пределах 2—3 ppm/°C, чтобы мини-

мизировать механические напряжения в области монтажа.

При необходимости следует обеспечить и принудительное

охлаждение приборов при повышенной температуре

окружающей среды, для того чтобы не превысить порого-

вого значения температуры кристалла прибора.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ С ИСПОЛЬЗОВА-

НИЕМ SMD-КОРПУСОВ

При монтаже приборов в SMD-корпусах следует обра-

щать внимание на то, чтобы ТКР материала печатной

платы или подложки для монтажа был близок к ТКР SMD-

корпусов. Отличие коэффициентов термического расши-

81

Электронные компоненты №3 2011

СЛАБОТОЧНЫЕ СХЕМЫ

В качестве подложек для монтажа

полупроводниковых приборов с низ-

кой мощностью рассеяния (менее 0,5

Вт) в SMD- или CLCC-корпусах можно

использовать традиционный стекло-

текстолит FR-4 или полиимидный

носитель. Однако следует учитывать

размеры монтируемых корпусов и

принимать в расчет разность коэффи-

циентов температурного расширения

корпусов и материала монтажной

платы. Для монтажа больших SMD/

CLCC-корпусов предпочтительнее

использовать материалы платы с

низким ТКР. В настоящее время произ-

водится материал для печатных плат

с TКР 7—9 ppm/°C. К другим методам

компенсации ТКР печатной платы

можно отнести введение дополни-

тельного подслоя под медной фольгой

из молибдена или многослойного

покрытия медь-инвар-медь. Подслой

является демпфером локальных меха-

нических напряжений. При монтаже

больших CLCC-корпусов могут быть

использованы дополнительные (при-

стяжные) выводы — «крыло чайки» (J

и L типа) для того, чтобы обеспечить

ослабление механических напряжений

в зоне соединений корпуса с печатной

платой (см. рис. 13).

Для монтажа SMD-компонентов

на печатную плату может быть

использован серебросодержащий

эпоксидный клей или же процесс

пайки. При соединении методом

пайки рекомендуется использовать

эвтектические припои. Для лучшего

качества соединений рекомендуется

предварительный нагрев монтажной

сборки перед пайкой и облужива-

нием, а также режим естественного

охлаждения после пайки. Нагрев SMD-

компонентов свыше 300°C категори-

чески недопустим, поскольку могут

повреждаться их корпуса.

Поскольку материалы печатных

плат, такие как FR-4, полиимид, не

являются хорошими проводниками

тепла, они не могут рассматриваться

в качестве радиаторов или демп-

фирующих терморастекателей для

охлаждения монтируемых полупро-

водниковых приборов. Для органи-

зации теплоотвода через медные

печатные дорожки и области необхо-

димо задействовать большие площа-

ди на печатной плате, что уменьшает

плотность монтажа. Очевидно, что

для лучшей теплопередачи нужно

активно передавать тепло во вну-

тренние слои печатной платы, а

также использовать конвекционное

охлаждение. Тепловое сопротивле-

ние корпуса θJA является ключевым

параметром при тепловых расчетах

режима приборов. Для простран-

ственных конфигураций монтажных

модулей, в которых конвекция по

каким-либо причинам невозможна, а

рассеяние тепла минимально, охлаж-

дение через проводники является

единственным методом.

Пример. Для прибора, рассеиваю-

щего мощность 0,5 Вт имеющего θJA =

50°C/Вт, температура перехода (TJ)

должна быть равна 100°C при тем-

Рис. 13. «Пристяжные» выводы Gull-Wing («крыло чайки») для CLCC-корпусов

Рис. 14. «Пристяжные» выводы для SMD-корпуса

Рис. 15. Технология SMD-монтажа с охлаждением через крышку корпуса

82

WWW.ELCOMDESIGN.RU

пературе окружающей среды 75°C. Базовая формула для

расчета:

PD = [TJ – TA]/θJA,

где PD — рассеиваемая мощность;

TJ — рабочая температура перехода в кристалле;

TA — температура окружающей среды;

θJA — коэффициент теплового сопротивления корпуса.

СИЛЬНОТОЧНЫЕ СХЕМЫ

Для приложений с большой мощностью, в которых

SMD-компоненты рассеивают тепловую мощность поряд-

ка нескольких ватт и более, должны использоваться

дополнительные радиаторы. Существуют две базовые

технологии для организации теплоотвода от мощных SMD-

компонентов: через пристяжные внешние выводы и через

промежуточные SMD-носители.

ТЕПЛООТВОД SMD-КОРПУСОВ ЧЕРЕЗ ПРИСТЯЖНЫЕ

ВНЕШНИЕ ВЫВОДЫ

В данной технологии к SMD-корпусу монтируются

внешние плоские медные выводы (шины) для организации

электрических соединений и в качестве элементов тепло-

отвода. Но основной теплоотвод производится через

крышку корпуса. Корпус прибора монтируется на радиа-

тор или теплорассеиватель через плоскость крышки, т.е.

при монтаже корпус переворачивается, а выводы форму-

ются. Корпус SMD электрически изолирован от материала

радиатора, поскольку крышка изолирована от кристалла

прибора. Термосопротивление «переход-крышка» (θJL)

является критическим параметром для данного метода

охлаждения. Типовые значения термосопротивлений

«переход–крышка» (θJL) бывают следующими:

– SMD5 — 12°C/Вт;

– SMD1 — 7°C/Вт;

– SMD2 — 7°C/Вт.

Термосопротивление соединения на основе эпоксидного

клея также должно быть учтено при расчетах общего тем-

пературного сопротивления монтажной сборки. На рисунке

14 показан общий вид SMD-корпуса с выводами. Рисунок 15

иллюстрирует монтаж сборки на теплорастекателе и печат-

ной плате. Ясно, что охлаждение прибора через крышку

ограничивает мощность рассеяния до нескольких ватт и

зависит от значений максимальной температуры перехода

TJmax и температурного сопротивления «крышка–радиатор».

Другая часто используемая технология — это непо-

средственный монтаж SMD-корпуса на поверхность

радиатора с использованием термопасты или термопадов.

Соединительная среда обеспечивает электрическую изо-

ляцию выводов от радиатора, например, через тонкий

слой керамики.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ МОНТАЖНЫХ

SMD-НОСИТЕЛЕЙ

В качестве недорогого и достаточно эффективного

средства охлаждения мощных SMD-приборов может быть

использован промежуточный SMD-носитель (адаптер).

SMD-носитель представляет собой металлокерамическую

подложку с плоскими лужеными медными контактными

площадками (для затвора, стока и истока в случае корпуса

для MOSFET-транзистора). SMD-прибор припаивается к кон-

тактам носителя, и в результате получается новая конструк-

ция — SMD-модуль, готовый для дальнейшего монтажа.

На рисунке 17 показана конструкция модуля печатной

платы, в которой использован монтаж мощных SMD-

компонентов на радиаторной пластине посредством

технологии монтажных SMD-носителей. В этом модуле

малосигнальные компоненты с малой рассеиваемой

мощностью размещены на печатной плате. SMD-носитель

смонтирован на основной печатной плате с помощью про-

водящей серебросодержащей клеевой эпоксидной пасты.

Основание или шасси, на котором смонтирована кон-

струкция модуля, обычно выполняется из металла с высо-

кой теплопроводностью, поэтому он может быть задейство-

ван в качестве радиатора для охлаждения мощных силовых

компонентов модуля. Электрическое соединение между

монтажным носителем и платой производится посредством

медных шин носителя. Керамическая подложка носителя

через дополнительный слой теплорастекателя приклеива-

ется к пластине радиатора. Теплорастекатель обеспечивает

демпфирование термонапряжений на границе раздела

поверхностей носитель–радиатор и более эффективную

передачу тепла из SMD-носителя в пластину радиатора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Компания IR имеет многолетний опыт участия в аэрокос-

мических программах. Качество HiRel-продукции подтверж-

дено ее применением в разнообразных проектах: спутниках

системы GPS, гражданских авиалайнерах (например, Airbus

380 и Boeing 777), военных истребителях (F16, F18, F22 Raptor),

вертолетах (AH-64, WAH64), подвод ных коммуникационных

кабельных системах Trans-Pacifi c Express, нефтяных платфор-

мах Mirage и других. Высокая надежность и плотность монта-

жа обусловлена передовыми технологиями корпусирования.

Однако для полной реализации всех преимуществ современ-

ных технологий корпусирования, для достижения высокой

степени интеграции и надежности приборов необходимо

соблюдать рекомендации и спецификации компании IR.

ЛИТЕРАТУРА

1. Hi-Rel Products — высоконадежные приборы для ответ-

ственных применений. Подразделение Aerospace&Defense компа-

нии IR//Материалы презентации IR.

2. В. Петраков. Продукция HiRel — высокая надежность и

качество, гарантируемое компанией International Rectifi er//

Компоненты и технологии №2, 2004.

3. К. Староверов. Продукция класса HiRel компании

International Rectifi er//Новости Электроники № 7, 2010.

4. Application Note AN-1016. Hermetic Surface-Mount Discrete

Semiconductor, Solutions to Assembly Integration. Tiva Bussarakons.

International Rectifi er.

Рис. 16. Технология монтажа с дополнительным монтажным носителем

Рис. 17. Модуль с использованием переходного монтажного носителя для сило-вых SMD-компонентов

83

Электронные компоненты №3 2011

НОВОСТИ ВСТРАИВАЕМЫХ СИСТЕМ

| ОСРВ QNX NEUTRINO CERTIFIED PLUS: ДВОЙНАЯ СЕРТИФИКАЦИЯ! | Компания QNX Software Systems анонсировала выход

первой ОС реального времени, одновременно обеспечивающей выполнение требований стандартов в области функциональ-

ной и информационной безопасности (МЭК 61508 и МЭК 15408).

Компания QNX Software Systems, ведущий разработчик ОСРВ и связующего

программного обеспечения для встраиваемых систем, анонсировала выход пер-

вой ОСРВ, которая удовлетворяет стандартам в области функциональной и инфор-

мационной безопасности. ОСРВ QNX Neutrino Certifi ed Plus позволяет произво-

дителям систем ответственного применения значительно сократить издержки и

время на сертификацию медицинских систем, автомобильных приборов, промышленного оборудования.

ОСРВ QNX Neutrino Certifi ed Plus — это единственная ОС реального времени, соответствующая требованиям стандар-

тов и по функциональной (МЭК 61508), и по информационной безопасности (ИСО/МЭК 15408). Система сертифицирована

по уровню SIL3 стандарта МЭК 61508 и по уровню EAL4+ стандарта ИСО/МЭК 15408.

«QNX Neutrino Certifi ed Plus предоставляет значительные конкурентные преимущества для тех производителей, чьи

системы должны быть одинаково безопасными, надежными и защищенными, — утверждает Дерек Кун (Derek Kuhn),

вице-президент компании QNX Software Systems по продажам и маркетингу. — Наши инженеры создали операционную

систему, способную ускорить вывод продуктов на рынок за счет значительного уменьшения времени и расходов на сер-

тификацию промышленных, медицинских и автомобильных систем».

Многие жизненно важные системы сегодня управляются программным обеспечением микропроцессорных устройств,

встроенных в автомобили, медицинские приборы, транспортные и энергетические системы. Ошибки и сбои в работе таких

систем должны быть исключены, поэтому по мере усложнения программного обеспечения для систем ответственного

применения растет потребность в программных компонентах, отвечающих жестким требованиям стандартов в области

надежности и информационной безопасности.

Сертификация по уровню SIL3 стандарта МЭК 61508 является независимым подтверждением того, что ОСРВ QNX

Neutrino Certifi ed Plus обеспечивает высокий уровень надежности и снижения рисков при ее использовании в критиче-

ских системах в медицине, на транспорте, в промышленности, электроэнергетике, а также в автоматизированных системах

управления технологическими процессами.

Сертификация на соответствие «Общим критериям» (IEC/МЭК 15408) говорит о том, что ОСРВ QNX Neutrino Certified

Plus была протестирована независимой сертификационной

лабораторией и отвечает функциональным требованиям

безопасности стандарта IEC/МЭК 15408 по уровню EAL 4+.

В ОСРВ QNX Neutrino Certifi ed Plus реализована модуль-

ная микроядерная архитектура, в которой приложения,

драйверы устройств, файловые системы и сетевые стеки

выполняются как отдельные процессы, каждый в своем защи-

щенном адресном пространстве. QNX Neutrino Certifi ed Plus

поддерживает симметричную (SMP), асимметричную (AMP) и

закрепленную (BMP) многопроцессорность, что обеспечи-

вает необходимый уровень параллелизма для эффективной

работы многопроцессорных и многоядерных систем. В ней

также поддерживается технология адаптивного квотирова-

ния — эффективная форма перераспределения процессор-

ного времени, исключающая возможность монопольного

захвата процессора со стороны вредоносного кода или при

DoS-атаках.

ОСРВ QNX Neutrino RTOS Certifi ed Plus является полно-

стью POSIX-совместимой. Это дает разработчикам возмож-

ность переносить приложения, уже созданные ранее для

других POSIX-совместимых систем.

Доступность

Официальный выпуск ОСРВ QNX Neutrino Certifi ed Plus

намечен на II кв. 2011 г. На территории России и стран СНГ

приобрести продукцию QNX Software Systems можно у

компании ПРОСОФТ и ее региональных дилеров. Компания

ПРОСОФТ также предлагает услуги по разработке драй-

веров и пакетов поддержки процессорных плат (BSP) для

ОСРВ QNX, а также поставляет оборудование с предуста-

новленной ОСРВ QNX в требуемой конфигурации.

МИ

КР

ОК

ОН

ТР

ОЛ

ЛЕ

РЫ

И D

SP

85

Электронные компоненты №3 2011

От выбора архитектуры процессора зависит производительность, а

также время разработки и стоимость устройства. В статье подробно

описана архитектура MIPS32 ядер М4К и М14К. Сравнение архитектур

MIPS32 и Cortex-M показывает преимущества первой.

MIPS ИЛИ ARM?

ГЕННАДИЙ ВИНИН, технический консультант, «ИД Электроника»

АРХИТЕКТУРА MIPS

Архитектура MIPS впервые была

применена в процессоре R2000 в 1985 г.

C тех пор она претерпела ряд измене-

ний и сейчас изготавливается в двух

вариантах: 32- и 64-рарядном, MIPS32 и

MIPS64, соответственно.

В основе MIPS лежит гарвардская

архитектура и набор команд RISC.

Конвейер содержит 5 уровней (см.

рис. 1) и логические схемы, обеспе-

чивающие еще до завершения обра-

ботки инструкции быстрый доступ к

данным, которые используются сле-

дующей инструкцией. Все арифмети-

ческие и сдвиговые операции выпол-

няются за один цикл. Для ускорения

отдельных процессов предусмотрены

опциональные специализированные

расширения, в число которых входят

MIPS16e, SmartMIPS, блок многопотоко-

вых вычислений и модули обработки

сигнала и объемного изображения.

Высокое быстродействие MIPS32

отчасти достигается за счет использо-

вания высокоскоростных интерфей-

сов памяти SRAM, кэш-контроллеров

с высокой эффективностью и блоков

распределения памяти, а также нали-

чия большого набора регистров и

ускорителей, выполняющих операции

с плавающей запятой. Регистры делят-

ся на два класса: стандартные общего

назначения (РОН) и дополнительные

для хранения данных или использова-

ния в качестве «теневых» регистров,

которые привязываются к контроллеру

прерывания, чтобы уменьшить время

реакции на событие и время переклю-

чения между программным и аппарат-

ным обеспечением.

Обработка сигналов улучшена за

счет аппаратного блока деления и

умножения (MDU) с программной под-

держкой инструкций умножения со

знаком и без, инструкций деления и

умножения с накоплением (МАС). Для

команд MDU предусмотрен отдельный

конвейер, и они выполняются парал-

лельно с целочисленными операциями.

Блок MDU позволяет ускорить вычис-

ление таких функций как БПФ, КИХ или

БИХ. Например, МК PIC32 обрабатывает

256 выборок БПФ за 22 тыс. циклов,

затрачивая 83 мкс при частоте 80 МГц.

Рис. 1. Структура конвейера в архитектуре MIPS32: I – выбор команды (доступ к памяти команд I-SRAM и флеш-памяти); E – выполнение ( чтение файла реги-стров, АЛУ); M – доступ к памяти данных (D-SRAM); A – выравнивание/накопление; W – обратная запись в файл регистров

Микроконтроллеру STM32 на основе

Cortex-M3 для выполнения этих же

операций понадобится на 14% больше

циклов.

ЯДРО М4К

Ядро М4К на базе MIPS32 превос-

ходит процессоры ARM семейства

Cortex-M по производительности, эко-

номичности расхода энергии и ком-

пактности кристалла. Попробуем разо-

браться, за счет чего удалось этого

достичь.

Во-первых, в ядре М4К предусмо-

трена возможность увеличения коли-

чества РОН до 16 наборов по 32 реги-

стра. Эти регистры используются для

хранения параметров и значений

операндов на кристалле, чтобы умень-

шить количество пересылок в модуль

памяти и тем самым сократить коли-

чество циклов, повысить быстродей-

ствие. Регистры общего назначения

могут также использоваться в каче-

стве «теневых» для ускорения обра-

ботки прерываний.

При обработке прерывания или

исключения ЦП определяет, какой

из теневых наборов следует исполь-

зовать. Выбранный набор перево-

дится в активное состояние, после

чего вектор прерывания продолжает

выполнение. При этом не требуется

ни сохранение контекста, ни выполне-

ние восстановления, поскольку толь-

ко подпрограмма прерывания имеет

доступ к активному в текущий момент

регистру. Соответственно, сокраща-

ется время обработки прерывания и

уменьшается количество обращений

к памяти, т.к. содержимое регистров

сохраняется после обработки преды-

дущего прерывания или исключения,

и загрузка значений из SRAM не про-

изводится.

Повышение производительно-

сти обеспечено за счет блока MDU и

быстродействующей памяти SRAM,

доступ к которой осуществляется с

малой задержкой. Ядро М4К выполня-

ет операции умножения с накоплени-

ем и умножения 32×16 за один цикл,

а 32×32 — за 2 цикла. Как мы упо-

минали выше, благодаря отдельному

функциональному блоку, работающему

независимо от конвейера, операции

умножения и деления выполняются

параллельно арифметическим и сдви-

говым.

Адресное пространство памяти раз-

делено на область данных D-SRAM и

область инструкций I-SRAM, что позво-

ляет одновременно выполнять тран-

закции с инструкциями и данными. При

желании эти области можно объеди-

нить, переведя модуль памяти в соот-

ветствующий режим (Unifi ed).

В отличие от ARM, где нет возмож-

ности управления памятью, интерфейс

I-SRAM позволяет использовать память

программ для хранения энергонезави-

симых данных. Также SRAM позволяет

прерывать длительные транзакции или

отменять выполнение транзакции на

любой стадии конвейера и мгновен-

но реагировать на внешние события,

такие как исключения и прерывания

(EJTAG).

Еще одна уникальная особенность

MIPS32 — аппаратно-программный

модуль CorExtend, позволяющий

добавлять собственные устройства и

расширять набор инструкций поль-

зовательскими командами UDI. Это

позволяет осуществлять тонкую опти-

мизацию всех «проблемных» мест

системы, ускорив работу приложе-

ния. Например, с помощью CorExtend

можно реализовать блок обработки

графики, TCP/IP ускоритель, логиче-

ские схемы безопасности и криптогра-

фии, беспроводное управление или

интерфейс реального времени.

Модульность архитектуры М4К

делает ее очень гибкой. Из большо-

го количества опциональных блоков

можно выбрать нужные, сократив коли-

чество вентилей и, соответственно,

86

МИ

КР

ОК

ОН

ТР

ОЛ

ЛЕ

РЫ

И D

SP

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Табл. 1. Характеристики M4K и Cortex-M3 при различных технологических нормах и параметрах оптимизации

Тех. нормы 180 нм 90 нм

Ядро М4К Cortex-M3 М4К Cortex-M3

ОптимизацияСко-

ростьПло-щадь

Ско-рость

Пло-щадь

Ско-рость

Пло-щадь

Ско-рость

Пло-щадь

Частота, МГц 100 50 100 50 275 50 275 50

Потребление, мВт/МГц 0,21 0,17 0,33 0,2 0,03 0,02Нет дан-

ных0,1

Эффективность энергопотребле-ния, DMIPS/мВт

7,14 8,82 3,75 6,25 50 75Нет дан-

ных12,5

размер кристалла и энергопотребле-

ние. К таким блокам относятся модуль

отслеживания и отладки (EJTAG), интер-

фейс для сопроцессора и расширения

CorExtend. Кроме того, предусмотрены

возможности подключения и отключе-

ния функций отладки, установки точек

останова, а также выбор количества

файлов регистров, скорости работы

MDU и типа интерфейса SRAM. Все это

позволяет варьировать характеристи-

ки ядра, в первую очередь быстродей-

ствие, в широких пределах.

Немаловажное значение имеет

набор аппаратных и программных

инструментов, которые предлагают-

ся производителем для упрощения

разработки, ускорения тестирования

и оценки конечного проекта. Среди

них можно отметить отладочный

щуп EJTAG System Navigator™, набор

инструментов GNU с поддержкой ОСРВ

и Linux, симуляторы Cycle Accurate и

Instruction Accurate, оценочные платы

и пакет Navigator Integrated Component

Suite. Помимо этого компания MIPS

Technologies предлагает программ-

ную среду разработки с поддержкой

всего спектра инструментов для MIPS.

Наконец, создано сообщество сторон-

них производителей средств разра-

ботки. Вместе эти инструменты обе-

спечивают всестороннюю и полную

поддержку проектирования на базе

MIPS.

СРАВНЕНИЕ АРХИТЕКТУР ARM И

MIPS

Оба ядра MIPS32 и ARM Сortex-M

имеют 32-разрядную шину данных и

сокращенный набор команд RISC.

Однако на этом их сходство кончается.

Изначально компания MIPS Technologies

занималась разработкой высокопроиз-

водительных рабочих станций и серве-

ров, в то время как ARM начинала как

разработчик процессоров для мобиль-

ных аппаратов начального уровня.

По сравнению с семействами ARM

Сortex-M процессоры M4K имеют более

высокое быстродействие. Частично

это обусловлено более эффективной

структурой набора команд (ISA —

instruction set architecture) и оптими-

зированными программными сред-

ствами, но в большей степени это

достигается за счет самой архитекту-

ры MIPS. Перечислим основные раз-

личия между ядрами.

1. Процессоры MIPS имеют 32

встроенных регистра общего назначе-

ния, ARM — только 16.

2. В процессорах MIPS предусмо-

трены «теневые» регистры, позволяю-

щие ускорить функции сохранения и

восстановления при обработке преры-

ваний. Соответственно, на контекстное

переключение уходит меньше циклов.

3. В архитектуре MIPS большая

часть команд содержит только одну

операцию, а инструкции ARM выполня-

ют несколько операций перед записью

в регистр (смена операнда, проверка

бита состояния и др.). За счет этого MIPS

имеет более высокую тактовую часто-

ту.

4. В MIPS более простая система

адресов, за счет чего также повышается

рабочая частота.

5. В процессорах ARM широко

используются предсказатели ответвле-

ний, что усложняет логические схемы и

замедляет работу. В архитектуре MIPS

они не требуются, поскольку конвейер

содержит 5 уровней, а не 3, как в ARM.

6. В отличие от MIPS, в ARM не

предусмотрена отложенная передача

управления, поэтому при меньшей глу-

бине конвейера обеспечивается более

высокая эффективность.

7. Архитектура MIPS реализована

как в 32-, так и в 64-разрядном вариан-

те, что обеспечивает полную совмести-

мость устройств с предыдущими поко-

лениями.

Как показывает тестирование в от-

крытой среде CoreMark [1], микрокон-

троллер PIC32 с ядром М4К обгоняет

микроконтроллеры NXP и STMic ro-

electronics на базе ядра Cortex-M3 на

20—50%, а МК NXP на основе Cortex-M0 —

на 63%, даже несмотря на то, что М4К

выполняет два цикла ожидания при

обращении к памяти, а Cortex-M — ни

одного. Скорость работы М4К до стигает

1,5 DMIPS/МГц, в то время как Cortex-M3

выполняет до 1,25 DMIPS/МГц, а Cortex-

M0 — до 0,9 DMIPS/МГц.

За счет более высокой производи-

тельности ядра приложения на ядре

М4К могут работать на меньших так-

товых частотах, потребляя меньше

энергии. В ядре М4К предусмотре-

но несколько функций управления

мощностью, в т.ч. контроль активной

мощности с помощью использования

стробирования синхросигнала и под-

держки режима пониженного потре-

бления энергии.

Большая часть энергии расходуется

схемой синхронизации и регистрами.

Расширенное управление стробирова-

нием синхросигнала позволяет отклю-

чать выбранные неиспользуемые обла-

сти ядра. Команда WAIT переводит ядро

в режим ожидания, в котором внутрен-

ний тактовый генератор и конвейер

временно приостанавливаются. При

наступлении события или сброса ядро

возвращается к нормальному режиму

работы. В таблице 1 сведены величи-

ны энергопотребления для Cortex-M3

и М4К, произведенных по технологиче-

ским нормам 180 нм и 90 нм, оптимизи-

рованных по быстродействию или пло-

щади кристалла. Как видно, на одной

и той же тактовой частоте ядро М4К

заметно превосходит Cortex-M3 как по

потреблению, так и по эффективности

расхода энергии.

Рис. 2. Блок-схема ядра М14К

МИ

КР

ОК

ОН

ТР

ОЛ

ЛЕ

РЫ

И D

SP

87

Электронные компоненты №3 2011

Табл. 2. Сравнительные характеристики М14К и Cortex-M3

Параметр M14KCortex-

M3

Архитектура Гарвардская Гарвардская

Набор командMIPS32,

microMIPSThumb-2

Количество команд 300+ 155

Производительность в Dhrystone, DMIPS/МГц

1,5 1,25

Производительность в CoreMark

2,36 1,76

Количество РОН 32 16

Макс. кол-во наборов РОН 16 1

Управление прерываниямиВнутреннее,

внешнееВнутреннее

Задержка прерывания, циклов

10 12

Канал быстрой отладки Есть Нет

Блок умножения и деления Есть есть

Память программ, Гбайт 4 1

Память данных, Гбайт 4 1

Пользовательские команды

Да Нет

ЯДРО М14К

Недавно в семействе MIPS32 4K

были представлены два ядра — моде-

ли М14К и М14Кс. Они содержат деко-

деры инструкций MIPS32 и microMIPS.

Это первые модели, содержащие

microMIPS — специальный набор

команд, позволяющий сократить

объем кода по крайней мере на 30%

при сохранении быстродействия.

Как и в случае с М4К, ядро М14К

со держит 5-уровневый конвейер.

Однако по сравнению с предшествен-

ником М14К обладает рядом усовер-

шенствований: сокращена задержка

обработки прерывания, ускорен доступ

к флэш-коду и оптимизирован процесс

обработки прерывания. Помимо этого

встроенные библиотеки М14К содержат

стандартный интерфейс AHB и полный

набор усовершенствованных функций

для профилирования и отладки при-

ложения.

Структура М14К приведена на рисун-

ке 2. В таблице 2 представлены харак-

теристики ядра М14К в сравнении с

ядром Cortex-M3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Стандартная архитектура MIPS отве-

чает всем требованиям разработчиков

микроконтроллеров и превосходит

семейства ARM Cortex-M по быстродей-

ствию, потреблению и функционалу.

Основные преимущества MIPS перед

Cortex-M:

– производительность M4K и M14K

на 20% выше, чем Cortex-M3;

– максимальная тактовая частота

M4K и M14K на 20% выше, чем ядра

Сortex-M3;

– M14K затрачивает на 30% меньше

циклов при обработке прерывания;

– буфер предварительной выбор-

ки в М14К уменьшает время доступа к

флэш-памяти. Интерфейс SRAM ускоря-

ет время выполнения;

– обработка сигнала на PIC32 про-

изводится на 14% быстрее, чем на

STM32F (для функции БПФ);

– низкое потребление и высокая

эффективность расхода энергии;

– широкий спектр аппаратных и

программных средств проектирова-

ния, совместимых с ведущими ОСРВ,

пакет связующего ПО, поддержка веду-

щих САПР.

Архитектура MIPS проверена вре-

менем и как нельзя лучше подходит

для встраиваемых систем нового поко-

ления.

ЛИТЕРАТУРА

1. MIPS Technologies. Beyond the Hype:

MIPS® - the Processor for MCUs.

88

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Рынок 8-разрядных микроконтроллеров (МК) в настоя-

щее время является самым массовым, несмотря на явную

тенденцию к переходу на 32-разрядные компоненты в

развитых системах управления. Большое количество

устройств автоматики вполне успешно управляется

8-разрядными МК. Несмотря на быстрое снижение цен на

32-разрядные приборы, они в настоящее время заметно

дороже 8-разрядных. Кроме того, весьма важен багаж

опробованных схемных и программных решений опытных

инженеров, который велик именно в области 8-разрядных

систем. Революционные скачки происходят в сфере муль-

тимедиа, но изделия для ответственных применений эво-

люционируют, поскольку их запуску в эксплуатацию пред-

шествует значительный объем тестов и испытаний.

Компания STMicroelectronics, один из ведущих мировых

производителей электронных компонентов, параллельно

с 32-разрядным семейством STM32 выпустило новое, ори-

ентированное на ответственные применения, семейство

8-разрядных приборов STM8. Симбиоз современной архи-

тектуры и микроэлектронной технологии 130 нм обеспе-

чивает им хорошую производительность, стабильность

параметров и эксплуатационную надежность. Семейство

включает три группы продуктов:

В статье представлен модуль TE-STM8S208 компании «Терраэлектроника», выполненный на новом 8-разрядном

микроконтроллере компании STMicroelectronics.

Семейство STM8 ориентировано на ответственные применения. Современная архитектура и микроэлектрон-

ная технология 130 нм обеспечивают ему хорошую производительность, стабильность параметров и эксплуа-

тационную надежность.

Модуль TE-STM8S208 может быть использован как при изучении новых микроконтроллеров и макетировании

систем управления, так и для установки в серийные изделия в качестве готового узла.

ВЛАДИМИР БРОДИН, ВАДИМ СЕМЕНОВ

Модуль TE-STM8S208

на микроконтроллере для

ответственных применений

– STM8S — МК общего назначения;

– STM8A — МК для автомобильного применения;

– STM8L — низкопотребляющие МК.

Микроэлектронная технология 130 нм предоставляет

при создании 8-разрядных приборов значительно большую

степень интеграции кристалла, чем технологии преды-

дущего поколения. Посмотрим, как использовано это пре-

имущество в архитектуре семейства STM8 и МК STM8S.

Наборы функциональных блоков в различных линейках

МК STM8S приведены на рисунке 1.

Процессорное ядро семейства STM8 8-разрядное, но

работает с памятью программ через 32-разрядную шину и

имеет 3-уровневый конвейер обработки команд. Это обе-

спечивает микроконтроллерам STM8S быстродействие в

20 MIPS при максимальной тактовой частоте 24 МГц. Таким

образом, в процессорном ядре ресурсы технологии были

направлены на усложнение структуры в целях повышения

быстродействия.

Cемейство STM8 имеет гарвардскую архитектуру, но

отдельные области программного кода и данных нахо-

дятся в общем пространстве со сквозными адресами.

Карта памяти микроконтроллеров STM8S приведена

на рисунке 2. Объем флэш-памяти в этой группе может

Рис. 1. Наборы функциональных блоков в линейках семейства STM8S

90

WWW.ELCOMDESIGN.RU

составлять до 128 Кбайт, EEPROM — до 2 Кбайт, RAM —

до 6 Кбайт.

При тактовых частотах процессора менее 16 Мгц память

работает без тактов ожидания. При больших тактовых

частотах для обращений к флэш-памяти и EEPROM необхо-

димо запрограммировать 1 такт ожидания.

В адресном пространстве 2 Кбайт занимает загрузчик,

который позволяет загрузить код во флэш-память или

EEPROM через один из последовательных портов: SPI, CAN

или UART.

Микроконтроллеры STM8 имеют развитый механизм

защиты памяти от чтения и записи. При установленной

защите от чтения невозможны операции чтения/записи

с флэш-памятью и EEPROM, а также работа внутреннего

модуля отладки. При снятии этой защиты содержимое

памяти затирается. Для предотвращения порчи содержи-

мого память может быть защищена от записи. Эта защита

имеет два уровня. Первым уровнем защиты управляет

специальный блок MASS (Memory Access Security System).

Вторым уровнем защиты является наличие специальной

области памяти программ UBС (User-specifi c Boot Code),

которая не может быть перезаписана в режиме ISP (In

System Programming). В этой области находится таблица

векторов сброса и прерываний.

Таким образом, применительно к памяти ресурсы тех-

нологии были направлены на увеличение адресного про-

странства, доступного объема и обеспечение повышенной

защиты для использования микроконтроллеров в сложных

условиях.

Набор команд МК STM8S включает 80 инструкций, боль-

шинство из которых 2-байтные. Кроме обычного набора

8-разрядных команд пересылок и арифметики, имеются

команды 16-разрядной арифметики, в которых используют-

ся 16-разрядные индексные регистры X и Y. В набор команд

включены команды умножения (8×8 бит) и деления (16/8 бит,

16/16 бит). Существенным отличием от 8-разрядных МК про-

шлых поколений является 24-разрядный счетчик команд PC,

который дает возможность использовать команду вызова с

расширенным адресом (CALLF).

Наличие двух индексных 16-разрядных регистров (X, Y)

позволяет использовать косвенную индексную адресацию

при работе с таблицами данных, располагающимися в

любом месте адресного пространства. В наборе команд

имеется большая группа инструкций, выполняющих опе-

рации с регистрами X и Y: загрузку (LDW), арифметические

операции (ADDW, DIVW, INCW, SUBW), логические операции

(NEGW), сдвиги (RLCW, RRCW). Инструкция EXGW за один

цикл производит взаимный обмен содержимого индексных

регистров. Инструкция CLRW очищает индексные регистры.

Обзор системы команд позволяет заключить, что в

архитектуре STM8 кроме быстрого 8-разрядного ядра с

32-разрядным интерфейсом памяти реализован также

16-разрядный процессор адресов. Аккумуляторами этого

процессора являются регистры X и Y.

Современным решением в архитектуре STM8 является

блок обработки вложенных прерываний. Он обеспечивает

автоматическое сохранение/восстановление основных

регистров (PC, Y, X, A, CC) в начале/конце процедур обслу-

живания (см. рис. 3). Это сокращает время задержки при

обслуживании прерываний и упрощает программирование.

При проектировании микроконтроллеров STM8 осо-

бое внимание уделялось устойчивости к высокому уровню

внешних воздействий без использования внешних защит-

ных элементов. Использованные методы защиты против

электромагнитных помех и электростатики обеспечивают

уровень защиты в соответствии со стандартом IEC 60335,

класс B. Для обеспечения устойчивости используются

контроллер синхросигнала с двумя независимыми сторо-

жевыми таймерами, система CSS (Clock Security System), а

Рис. 2. Карта памяти микроконтроллеров STM8S

Рис. 3. Сохранение/восстановление блока регистров при прерываниях

Рис. 4. Многоцелевой модуль TE-STM8S208

91

Электронные компоненты №3 2011

также механизмы защиты важнейших регистров и защиты

от неправильных кодов команд.

Микроконтроллеры STM8S способны работать с синхро-

сигналом от трех источников: внешнего генератора или

кварца с частотой 1...24 МГц, внутреннего RC-генератора

на 16 МГц и внутреннего RC-генератора на 128 кГц. Система

CSS переключает микроконтроллер на работу от внутрен-

него генератора на 16 МГц при обнаружении сбоя во внеш-

нем синхросигнале. Время переключения между источни-

ками синхросигнала составляет 2 мкс.

Для программирования и отладки в архитектуре STM8

предусмотрены модули SWIM (Single Wire Interface Module)

и DM (Debug Module). Первый из них обеспечивает одно-

проводной интерфейс, а второй выполняет собственно

отладочные операции в реальном времени. Вместе эти

модули обеспечивают очень быстрое программирование

(менее 6 с для флэш-памяти объемом 128 Кбайт) и отладку

на уровне производительных внутрисхемных эмуляторов.

Обращение по всем адресам пространства памяти, в т.ч.

к регистрам, для выполнения операций чтения/записи

выполняется в фоновом режиме и не требует дополни-

тельных циклов ожидания.

Компания «Терраэлектроника» в рамках программы по

инструментальному сопровождению электронных ком-

понентов STMicroelectronics разработала многоцелевой

модуль на микроконтроллере STM32S208, который являет-

ся самым производительным в семействе.

Модуль TE-STM8S208 (см. рис. 4) способен функциони-

ровать на разных этапах жизни изделий:

1) при освоении архитектуры микроконтроллеров

STM8. Небольшая цена, доступность портов микрокон-

троллера на контактных площадках, расширяемый набор

демо-программ позволяют рекомендовать модуль в каче-

стве средства перехода на современные микроконтролле-

ры для ответственных применений;

2) при макетировании встраиваемых систем в качестве

средства отладки. Модуль позволит разработчику заняться

созданием безопасных алгоритмов микроконтроллерного

управления;

3) в серийном изделии в качестве готового узла.

Компактный бюджетный модуль с развитым набором

интерфейсов позволяет ускорить запуск изделия в экс-

плуатацию.

Установленный в модуле микроконтроллер

STM8S208MB имеет ядро с максимальной тактовой часто-

той 24 МГц. Объем флэш-памяти программ составляет

128 Кбайт, оперативной памяти — 6 Кбайт, EEPROM —

2 Кбайт. Интегрированный на кристалл 10-разрядный

АЦП имеет 16 каналов. Из последовательных интер-

фейсов присутствуют SPI, I2C, CAN и два порта UART.

Микроконтроллер заключен 80-выводный корпус LQFP.

На плате модуля установлены слот карт памяти microSD,

разъем BH-10 интерфейса RS-232, клеммные разъемы

интерфейсов RS-485 и CAN, разъем miniUSB моста USB-

UART. Четыре линии отладочного интерфейса SWIM выве-

дены на штыревой разъем. К линиям портов микрокон-

троллера подключены два светодиода и две кнопки для

подачи логического 0.

На два двухрядных штыревых разъема модуля выведе-

ны линии портов микроконтроллера. Через этот разъем

доступны интерфейсы SPI, I2C микроконтроллера, а также

входы АЦП.

Аппаратный мост USB-UART позволяет загружать код

программы во внутреннюю память микроконтроллера.

Разъем SWIM предназначен для отладки.

Компания STMicroelectronics сопровождает семейство

STM8 системой программирования ST Visual Develop

(STVD), которая включает оболочку, редактор текста,

кросс-ассемблер и отладчик. Для разработки программ на

языке С можно использовать компилятор Cosmic STM8 32K

compiler или Raisonance STM8/ST7 C compiler. Известные

разработчики инструментальных систем — компании

Raisonance и IAR — поддерживают семейство STM8 про-

дуктами Raisonance IDE RIDE7 и IAR Embedded Workbench

for STM8 IDE (EWSTM8). На компакт-диске из комплекта

модуля находятся бесплатные версии этих систем, а также

тестирующие и демонстрационные программы.

Для упрощения и ускорения разработки прикладных

программ для семейства STM8 компания STMicroelectronics

разработала и бесплатно предоставляет библиотеку функ-

ций обслуживания периферийных блоков МК — STM8S/A

Standard Peripheral Library.

Эта библиотека содержит драйверы и вспомогательные

функции, которые обслуживают периферию МК STM8:

– stm8s_adc1, stm8s_adc2 — аналого-цифровые пре-

образователи;

– stm8s_awu — таймер вывода из режимов понижен-

ного энергопотребления;

– stm8s_beep — блок формирования звуковых сигналов;

– stm8s_can — блок интерфейса CAN;

– stm8s_clk — схема управления тактированием;

– stm8s_exti — блок обработки внешних прерываний;

– stm8s_fl ash — энергонезависимая память;

– stm8s_gpio — порты ввода/вывода;

– stm8s_i2c — блок интерфейса I2C;

– stm8s_itc — контроллер прерываний;

– stm8s_iwdg — сторожевой таймер;

– stm8s_rst — схема сброса;

– stm8s_spi — блок интерфейса SPI;

– stm8s_tim1 ... stm8s_tim6 — таймеры/счетчики;

– stm8s_uart1 ... stm8s_uart3 — блоки UART;

– stm8s_wwdg — оконный сторожевой таймер.

В составе библиотеки имеются примеры работы с пери-

ферией микроконтроллеров, которые используют библио-

течные функции. Примеры приведены в виде проектов для

перечисленных выше систем программирования.

Обзор семейства STM8 показывает, что в классе

8-разрядных МК на рынке появилась современная архи-

тектура, которая существенно меняет методы построения

систем для ответственных применений.

В аналого-цифровых системах управления реализация

отдельных функций управления возлагалась на отдельные

части системы. Таким образом, при сбое или неисправ-

ности в некоторой части системы управление в целом не

терялось. При замене таких систем микроконтроллерными

системами первого поколения выяснилось, что МК может

выполнять весь набор функций управления, но при сбое

или неисправности нарушается работа всей системы. Для

повышения надежности ответственных систем применя-

лось резервирование полнофункциональных каналов и их

«горячее» переключение. Решение о переключении прини-

мал блок-арбитр. Таким образом, повышение надежности

достигалось с помощью внешних относительно микрокон-

троллера аппаратных средств значительного объема. При

использовании МК семейства STM8 внешние средства для

защиты от сбоев могут быть минимизированы, поскольку

структура МК уже содержит необходимую избыточность.

Применение современной архитектуры микрокон-

троллеров STM8 требует отработки соответствующих

методов проектирования и программирования. Модуль

TE-STM8S208 позволит освоить современные микрокон-

троллеры для ответственных применений, выполнить

макетирование встраиваемой системы, ускорить запуск

серийного изделия в эксплуатацию.

Разработчики могут приобрести микроконтроллеры

STM8 и модули TE-STM8S208 в «Терраэлектронике», а также

получить консультации инженеров по вопросам их при-

менения.

92

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Жизнь в сфере 32-разрядных МК в России сейчас

«кипит». С одной стороны, производители постоянно

анонсируют и продвигают новые решения. С другой, мно-

гие разработчики готовы к переходу с 8-, 16-разрядных

МК на 32-разрядные: их задачи усложняются, мощность

8-разрядных МК ограничена, а стоимость сопоставима со

стоимостью новых 32-разрядных МК. Тем, кто уже работает

с 32-разрядными МК, необходимо оптимизировать свои

решения с точки зрения стоимости или добавить новый

функционал. В данный статье мы попробуем представить

сбалансированный взгляд на конкретные преимущества

32-разрядного семейства МК STM32 от европейского лиде-

ра в сфере полупроводников — STMicroelectronics.

КРЕПКИЙ ОРЕШЕК

STM32 — это МК, построенный на ядре ARM Cortex-M3

[1]. Данное ядро имеет много преимуществ, но основ-

ное из них — универсальность, и за последние два года

Cortex-M3 стал индустриальным стандартом. Об этом

говорит количество производителей, присоединившихся

к данной архитектуре. Все основные производители МК,

которые присутствуют в России (кроме Microchip), имеют

или развивают решения на основе этой архитектуры:

STMicroelectronics, Texas Instruments, NXP, ATMEL, Analog

Devices, Renesas и т.д. Компания ST одной из первых (в

2007 г.) выпустила свои МК STM32 на основе ядра ARM

Cortex-M3 и быстро стала лидирующим игроком на этом

рынке. На рисунке 1 показано общее количество продан-

ных в мире ядер Cortex-M3 и «львиная доля» ST: около 80%

в 2009 г. и около 70% — в 2010 г. Это говорит о высоком

качестве и привлекательности решений STMicroelectronics.

Заметен и рост продаж самих ядер Cortex-M3 по статисти-

ке компании ARM. В 2008 г. их было продано около четы-

рех миллионов, а затем три года подряд ежегодный рост

составлял 400—500%.

Ядро Cortex-M3 является законченным решением и

включает матрицу шин, контроллер прерываний, встро-

енный системный таймер и систему отладки. Различия

Еще совсем недавно наиболее популярными на рынке являлись 8- и 16-разрядные микроконтроллеры (МК),

32-разрядная архитектура была слишком высока по ценовому критерию и считалась нецелесообразной для

использования в сегменте 8- и 16-разрядных решений. Семейство STM32 на ядре ARM Cortex-M3 компании

STMicroelectronics в корне изменило позицию 32-разрядных решений, переведя их из элитного сегмента в массо-

вый.

ДЖАФЕР МЕДЖАХЕД, менеджер по продукции, «Компэл»

РОМАН ПОПОВ, инженер по применению, «Компэл»

STM32 — капитан команды Cortex-M3

же между продуктами разных производителей касаются

только встроенной периферии. В итоге получается, что

если разрабатывать программный код с четким делением

между ядром и периферией, то можно обеспечить усло-

вия для очень быстрого перехода с продукции одного

производителя на продукцию другого. Остается, конечно,

проблема редизайна печатной платы, но и в этом вопросе

семейство STM32 имеет ряд преимуществ перед конку-

рентами, о чем будет более подробно рассказано в сле-

дующем разделе.

Семейство STM32 — это не только МК на ядре Cortex-

M3. Архитектура Сortex-M включает также ядра Сortex-M0

и Cortex-M4.

Ядро Cortex-M0 построено на основе ядра Cortex-M3 с

усеченным набором команд и предназначено для более

дешевых и менее требовательных с точки зрения произво-

дительности решений. Ядро Cortex-M0 позволяет заменить

16- и, в меньшей степени, 8-разрядные МК.

Cortex-M4 — это Cortex-M3, обогащенный новыми

командами для обработки данных и предназначенный для

применений, требующих более высокой производительно-

сти, с более сложной обработкой сигнала (операции с пла-

вающей запятой на аппаратном уровне). Соответственно,

ядро Cortex-M4 можно будет использовать в нижнем сег-

менте DSP-приложений.

Программный код, работающий на ядре Cortex-M0,

будет полностью функционален и на ядре Cortex-M3,

поскольку для Cortex-M3 действуют все инструкции

Cortex-M0. Программный код, работающий на ядре

Cortex-M3, также будет функционировать на Cortex-M4,

поскольку для Cortex-M4 остаются действующими все

инструкции Cortex-M3. Легко заметить, что в данном

случае наблюдается преемственность между тремя

ядрами Cortex-M, т.е. реализовав изделие на Cortex-M3,

можно сделать его более дешевые и простые варианты

на Cortex-M0 или более дорогие и сложные изделия на

Cortex-M4 с минимальными затратами на переработку

программного кода.

Компания STMicroelectronics намечает выпуск STM32 с

ядрами Cortex-M0 и Cortex-M4 на 2011 г., не говоря уже о

постоянном расширении и улучшении решений на Cortex-

M3. Другие производители также активно работают в

этом направлении (Texas Instruments, NXP, Freescale и т.д.).

В итоге можно сказать, что выбирая STM32, разработчик

выбирает самый популярный продукт на Cortex-M3 с пер-

спективой перехода на другие ядра Cortex-M, но при этом

не закрывает двери для продукции остальных произво-

дителей. Итог — огромный выбор и большая гибкость. Все

вышеперечисленное вкупе с pin-to-pin-совместимостью

МК семейства STM32 позволяет разработчикам максималь-

но использовать все преимущества ядер Cortex-M3, в том

числе и то преимущество STM32, что всегда есть возмож-

ность его не использовать! Рис. 1. Мировые продажи МК на ARM Cortex-M3

93

Электронные компоненты №3 2011

Рис. 2. Изделия семейства STM32 в зависимости от флэш-памяти и корпуса

МЕНЯТЬ МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ КАК ПЕРЧАТКИ

Одна из причин мировой популярности семейства

STM32 [2] — максимальный комфорт для разработчика.

Если универсальность ядра STM32 позволяет менять

производителя c минимальными затратами на программ-

ный код, то pin-to-pin-совместимость внутри семейства

STM32 позволяет менять объем памяти (флэш-память и

ОЗУ) и периферию (Ethernet, USB, CAN, и т.д.), не затраги-

вая печатную плату. Pin-to-pin-совместимость означает,

что для одного типа корпуса все сигналы сохраняются

на тех же самых вводах/выводах для разных вариантов

МК-семейства.

Рассмотрим конкретный пример. На рисунке 2 можно

увидеть распределение изделий семейства STM32

в зависимости от корпусов и размера флэш-памяти.

Если мы говорим, например, про серию STM32F-1, то

речь идет более чем о 90 микросхемах, разделенных

на пять семейств по применению, с полной pin-to-pin-

совместимостью. В итоге мы имеем полную pin-to-pin-

совместимость между STM32F-1 и STM32L, но в случае с

более новой линейкой STM32F-2 есть небольшие отличия,

связанные с переходом на новую технологию 90 нм — для

более точной информации необходимо обратиться к доку-

ментации.

Если во время разработки максимально предусмотреть

все будущие варианты своего изделия на основе pin-to-

pin-совместимости, то можно с высокой эффективностью

запускать в производство множество разнообразных

изделий. В итоге, потратив свои усилия на одну разработ-

ку, разработчик имеет возможность масштабировать свои

изделия в соответствии с требованиями рынка.

Если все же существует необходимость смены корпу-

са, то требования к повторной трассировке сокращены

до минимума, поскольку в семействе STM32 все сигналы

сохраняются с одной или с другой стороны корпуса,

каким бы ни был его размер, что также значительно

упрощает работу. STMicroelectronics обещает, что буду-

щие семейства STM32 на ядрах Cortex-M0 и Cortex-M4

будут также pin-to-pin и программно совместимы с

существующими. Вывод: STM32 — платформа, на кото-

рую можно перейти уже сегодня, чтобы многие годы

решать свои задачи.

ВСЕ У МЕНЯ ЕСТЬ, ТОЛЬКО МОЗГОВ НЕ ХВАТАЕТ!

Когда появляется интерес к микроконтроллеру, хочется

попробовать его «вживую». Для этого нужны отладочные

платы. В случае семейства STM32 количество оценочных

наборов и их возможностей впечатляет [3]. Отметим лишь

отладочный набор STM32VLDiscovery стоимостью около

300 руб., который также можно использовать как встраи-

ваемый модуль.

Оценочный набор STM32VLDiscovery имеет встроен-

ный программатор-отладчик и позволяет начать работу

с МК STM32 без дополнительных затрат. Это самый деше-

94

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Таблица 1. Операционные системы реального времени для МК STM32

КомпанияНаиме но-ва ние ОС

ОписаниеROM,

КбайтRAM,

Кбайт

FreeRTOS.org FreeRTOS

Надежная портируемая RTOS с открытыми исхо-дными кодами в двух вариантах — платном и бесплатном, с возможностью технической поддержки. Есть также версия SafeRTOS, серти-фицированная по стандарту IEC 61508

4,2 1

Micrium μC/OS-II

Легко портируемая, масштабируемая RTOS, поддерживающая многозадачность (до 250 задач), сертифицированная для критических условий эксплуатации (медицина, авиацион-ная электроника)

16 2

IAR PowerPaс

Полноценная RTOS с высокоэффективной файловой системой. Поставляется со многими примерами и, по выбору — с USB-стеком для приборов класса HID, MSD и CDC

2…451

байт

Quadros System

RTXC Quadro

Гибкая, масштабируемая RTOS с большим набором стеков и драйверов для пе ри фе рии (TCP/IP, USB, файловая система, гра фи че ские GUI-инструменты, CAN и т.д.). Под держивается средством разработки VisualRTXC — иде-альная среда для начинающих работу с 32-разрядными МК

<20 < 4

Keil ARTX-ARM

Многозадачная вытесняющая RTOS, под-держивающая почтовой ящик и pool памяти, вклю чает файловую систему и передачу дан-ных по протоколу TCP/IP

6 0,5

CMX CMX-RTОперационная система реального времени, поддерживающая многозадачность, без отчислений

<10 <1

вый и быстрый путь ознакомления с семейством STM32.

С другой стороны, имеются более сложные отладки со

всем нужным набором функционала от сторонних про-

изводителей — Keil, IAR, Raisonance и т.д. Российских

разработчиков могут заинтересовать решения компа-

нии «Терраэлектроника» [4], более доступные по стои-

мости, с документацией и технической поддержкой на

русском языке, которые одновременно являются встраи-

ваемыми модулями, что идеально для небольших серий

изделий.

Иногда для комплексных решений требуется не просто

отладка, а отладка в реальном времени. Одно из преиму-

ществ ядра Cortex-M3 — то, что он включает модуль ETM

(Embedded Trace Module), который позволяет выполнить

такую функцию. Все МК серий STM32L, STM32F-2 и STM32F-1

с объемом памяти больше 512 Кбайт содержат этот модуль.

Широкий выбор отладок и средств разработки — это

еще не все. Большую роль в процессе разработки играют

библиотеки. Семейство STM32 отличается большим выбо-

ром бесплатных библиотек, из которых можно отметить

следующие:

– библиотека для всей стандартной периферии (UART,

SPI, I2C, CAN, AЦП, ЦАП, таймеры, все источники тактирова-

ния, FSMC, IO, DMA, RTC и т.д.);

– библиотека для USB-интерфейса (host full speed, mass

storage, HID, DFU, CDC, audio);

– библиотека для Ethernet-интерфейса (MAC-уровень от

ST и бесплатный полный TCP/IP-уровень от Interniche);

– библиотеки для управления двигателями (трехфаз-

ные бесщеточные моторы);

– библиотеки для цифровой обработки сигнала DSP

(PID, IIR, FFT, FIR);

– библиотеки для воспроизведения звука (декодиро-

вания и кодирования на основе кодека SPEEX, с хорошим

качеством звука);

– библиотеки для графических решений.

Все эти библиотеки сопровождаются документацией

по применению. Помимо бесплатных библиотек есть

огромный выбор платных предложений от большого коли-

чества компаний — Keil, IAR, Micrium, Segger, Greenhills,

Quadros, CMX и т.д. Интересно, что одна из подобных ком-

паний — российская. Это Spirit DSP, совместно с которой

STMicroelectronics предоставляет MP3-кодеки (кодиро-

вание, декодирование), WMA-кодек (декодирование) и

библиотеки для звуковых эффектов (микшер, эквалайзер,

и т.д). Данные решения требуют лицензирования с допол-

нительными отчислениями правообладателем кодеков

(Thomson, Microsoft). Обычно их стоимость уже заложена

в цену МК.

Надо сказать еще пару слов об операционных систе-

мах. Ядро Cortex-M3 в сравнении со своим предшествен-

ником — ARM7 улучшено с точки зрения операционных

систем реального времени. Ядро имеет два режима

исполнения кода и два специализированных стека. Оно

характеризуется большей гибкостью с точки зрения

расстановки приоритетов среди прерываний и имеет

дополнительный системный таймер Systick. Все это позво-

ляет лучше строить операционные системы реального

времени. Для МК STM32 разработано уже множество опе-

рационных систем, часть из них приведена в таблице 1

(полный список можно посмотреть на официальном сайте

STMicroelectronics).

В итоге можно сказать, что с STM32 имеются все усло-

вия для успешной, удобной и быстрой разработки, а для

выбирающих бюджетные решения имеются очень доступ-

ные, с точки зрения цены отладки, бесплатные среды раз-

работки и бесплатные библиотеки и операционные систе-

мы RTOS. Иными словами, для успеха с STM32 требуются

только интеллект и творчество разработчика!

МОРЕ УДОВОЛЬСТВИЯ ЗА МАЛЫЕ ДЕНЬГИ

Продукция STMicroelectronics отличается от продукции

других производителей полупроводников прекрасным

соотношением цены и функциональности при сохранении

самых высоких стандартов качества, и семейство STM32 —

тому яркий пример. В этом семействе можно найти как

очень дешевые МК линейки Value Line STM32F100 с

оптимальным набором периферии, свойственной 8- и

16-разрядным МК, цены на которые не превышают одного

доллара, так и новую линейку STM32F-2 с лидирующими

показателями по быстродействию и усовершенствованной

периферией. Если сравнивать серию STM32F100 с первыми

появившимися на рынке решениями на Cortex-M0, то за

пару десятков центов разработчик получит в разы больше

функционала.

STM32F100, как и все МК семейства STM32, имеет

встроенный DMA-контроллер, позволяющий разгрузить

ядро от обработки и передачи данных. Его отсутствие

в текущих имплементациях Cortex-M0 является суще-

ственным недостатком производительности. Нельзя не

отметить наличие в семействе STM32 высококлассной

аналоговой периферии — 12-разрядных ЦАП и АЦП.

Наличие модуля АЦП в семействе STM32 обеспечивает

преимущество перед конкурентными решениями благо-

даря 12-битной разрядности, скорости преобразования и

множеству гибких режимов работы. Помимо перечислен-

ного в МК семейства STM32, которые имеют 2 или 3 АЦП,

можно увеличить скорость преобразования в несколько

раз при помощи совместной работы нескольких АЦП.

Например, в линейке STM32F-1 можно достичь скорости

0,5 мкс, а в случае линейки STM32F-2 повысить скорость

до 160 нс (!).

Семейство STM32 отличается от своих конкурентов на

рынке высоким процентом GPIO от общего количества

95

Электронные компоненты №3 2011

ножек корпуса: например, в серии STM32F100 корпус

LQFP48 имеет 37 GPIO, корпус LQFP64 — 51 GPIO, корпус

LQFP100 — 80 GPIO. Эти GPIO имеют высокую степень

гибкости, их можно не только сконфигурировать в раз-

ные стандартные режимы (двухтактная схема, открытый

коллектор, pull-up, pull-down и т.д.), но и переназначить

выводы МК для периферии (remapping). Скорость GPIO

регулируется в целях снижения электромагнитных

помех: в случае STM32F-1 она может быть 2 МГц, 10 МГц

и 50 МГц.

В некоторых линейках STM32 имеется полез-

ная периферия FSMC и SDIO (например, в сериях

STM32F101, STM32F103). Интерфейс FSMC используется

для подключения внешней памяти типа SRAM, NOR

Flash, NAND Flash и графического дисплея. Интерфейс

SDIO используется для работы с карточками памяти

типа SD, mini SD, micro SD, MMC. Единственный тип

памяти, не охваченный семейством STM32, это память

типа DRAM, но для большинства разработчиков этого

не требуется.

Добавим, что в семействе STM32 есть встроенный аппа-

ратный модуль СRC (Cyclic Redundancy Check — цикличе-

ский избыточный код), затраты которого на расчет состав-

ляют всего 4 такта. Все МК STM32, кроме STM32W, имеют

множество многофункциональных 16-разрядных таймеров

(STM32F-2 имеет 32-разрядные таймеры) и один или боль-

ше 12-разрядных ЦАП.

Семейство STM32F-2 содержит интересную новинку —

интерфейс для подключения камер DCMI, который может

работать на скоростях до 54 Мбайт/с, т.е. поддерживать

камеры с матрицей примерно до 1 мегапиксела. Этот

интерфейс может также получать данные от камеры в сжа-

том формате JPEG. Это открывает новые возможности для

систем безопасности, где не требуется сложной обработки

видеосигнала, а достаточно более примитивного функцио-

нала, такого как выполнение фотоснимка во время хище-

ния или работы веб-камеры для передачи данных через

встроенный Ethernet.

Интерфейсы FSMC и SDIO помогут динамически сохра-

нить во внешней памяти плотный поток данных с каме-

ры. Линейки STM32L, STM32F-2 и все изделия линейки

STM32F-1 c памятью больше чем 512 Кбайт имеют встро-

енный модуль защиты оперативной памяти MPU, кото-

рый позволяет дополнительно повысить безопасность

системы. В семействе STM32 МК с объемами флэш-памяти

более 512 Кбайт имеют полезную особенность — память

в них разделена на два банка. Это позволяет размещать

в каждом банке две отдельные прошивки МК и при стар-

те МК выбирать ту или иную прошивку, кардинально

меняя весь функционал устройства. Это позволяет также

динамически, без остановки основной работающей про-

граммы в одном банке, загружать в другой банк новый

вариант прошивки по одному из коммуникационных

интерфейсов и затем быстро переводить МК на новый

вариант работы ПО.

Семейство STM32 отличается от конкурирующих реше-

ний превосходным поведением в температурном диапа-

зоне –40…85°С. Производительность ядра и периферии

сохраняется полностью. В семействе STM32 есть ряд изде-

лий, сертифицированных на расширенный температурный

диапазон –40…105°С, и это — еще одно подтверждение

стабильности его работы.

FERRARI НА 176 НОЖКАХ

Одна из сильнейших сторон ядра Cortex-M3 — его

высокая производительность, которая является резуль-

татом всего накопленного опыта компании ARM в обла-

сти разработки процессорных ядер. Ядро Сortex-M3

построено по гарвардской архитектуре, в нем реали-

Таблица 2. Сравнение производительности 32-разрядных МК на основе CoreMark

Микроконтроллеры Частота работы, МГц CoreMark, MГц CoreMark

STMicroelectronics STM32 90nm 120 1,905 228,60

NXP LPC1768 100 1,753 175,25

Microchip PIC32MX440F512H 80 1,745 139,61

TI Stellaris LM3S9B96 Cortex M3 80 1,595 127,60

NXP LPC1768 72 1,755 126,39

STMicro STM32F103RB 72 1,504 108,26

Рис. 3. Сравнение энергопотребления 8- или 16-разрядных низкопотребляющих МК и STM32L

зованы 3-ступенчатый конвейер с прогнозированием

ветвлений, быстрое детерминированное время входа

и выхода из прерываний, математическое умножение

за 1 такт и деление за 2 такта, механизм битовой сег-

ментации, улучшенный контроллер вложенных приори-

тетных прерываний и т.д. Все это позволяет достигать

производительности 1,25 DMIPS/MГц (для сравнения: у

похожего ядра ARM7 производительность составляет

0,95 DMIPS/МГц).

Первая линейка STM32F-1 предоставила разработчи-

кам много возможностей, но с точки зрения произво-

дительности была ограничена (72 МГц), и ее достаточно

быстро обогнали семейства Stellaris (80 MГц) и LPC17

(100 МГц). В ответ компания ST разработала новую серию

STM32F-2, которая работает на частоте 120 МГц и достига-

ет 150 DMIPS.

В таблице 2 представлены результаты измерения про-

изводительности по стандарту СoreMark [6]. Значения

поля «CoreMark» отражают абсолютную производи-

тельность МК (большие значения соответствуют более

высокой производительности). В поле «CoreMark/MГц»

представлены нормализованные значения CoreMark в

отношении к частоте работы МК, т.е. мы можем судить,

насколько эффективно работает МК на высокой часто-

те. Высокая производительность линейки STM32F-2

достигается благодаря запатентованному акселератору

флэш-памяти и новой технологии производства 90 нм.

Следует подчеркнуть, что высокая производительность

МК всегда должна рассматриваться вкупе с качеством

периферии, поскольку недостатки периферии часто

приходится компенсировать ядру. В случае STM32 пери-

ферия исполнена на самом высоком уровне. Стоит также

отметить, что есть версии МК-семейства STM32F-2 в кор-

пусе со 176 выводами.

СИЛЬНЫЙ, НО ЕСТ МАЛО

Архитектура ARM Cortex приобрела огромный успех

в мире, в первую очередь, за счет низкого энергопотре-

бления. Это имеет большое значение для телефонов и

96

WWW.ELCOMDESIGN.RU

портативных изделий, и поэтому в любом телефоне или

смартфоне сердцем является процессор ARM. Но вопросы

энергоэффективности и энергосбережения сейчас стано-

вятся актуальными для всех изделий, поскольку в связи с

ростом цен на энергоносители каждый лишний мВт имеет

все большее значение.

Для систем с автономным питанием компания

STMicroelectronics специально разработала линейку

STM32L, сочетающую высокую производительность

ядра ARM Cortex-M3 и низкое энергопотребление. Ядро

Cortex-M3 имеет механизм перехода в спящий режим, и

этот механизм был дополнен собственными режимами

семейства STM32F. В той же линейке STM32L управление

энергопотреблением стало намного более гибким за счет

добавления новых режимов энергопотребления, дина-

мического режима изменения напряжения ядра и пере-

работанной энергоэффективной периферии. В таблице 3

представлены типичные значения энергопотребления МК

STM32. МК линейки STM32L изготавливаются по специаль-

ной технологии, минимизирующей утечки транзисторов,

и, соответственно, эти изделия имеют наилучшие показа-

тели.

Без сомнения, типовое потребление МК STM32L в

активном и спящем режимах выше, чем у лучших низко-

потребляющих 8- или 16-разрядных МК конкурентов. Но

высокая производительность STM32L позволит выпол-

нить все задачи за более короткое время и вернуться

в спящий режим (см. рис. 3), и в итоге среднее потре-

бление будет ниже по сравнению с таковым у 8- или

16-разрядных изделий. Поэтому вопрос низкого потре-

бления не столь прост, как он иногда преподносится

разработчикам.

Для правильного выбора МК требуется более сложная

и взвешенная оценка режимов работы и их длительности,

не говоря уже о том, что периферия в 8- и 16-разрядных

МК чаще всего примитивнее, чем у STM32L, который

имеет «честные» часы реального времени; интерфейс USB

2.0 Full speed; 12-разрядный 24-канальный АЦП со ско-

ростью преобразования 1 мкс; 4 Кбайт EEPROM-памяти,

выдерживающую 300 тыс. циклов стирания и программи-

рования и т.д.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Можно расценить эту статью как рекламную и не

верить авторам на слово. Но вместо этого стоит пого-

ворить с разработчиками, которые попробовали в деле

STM32, или почитать форумы по электронике в интер-

нете. Отзывы в большинстве случаев –положительные,

а иногда — очень положительные, претензии относятся

лишь к качеству документации и к исполнению интер-

фейса I2C.

Разработчик, который решит попробовать семейство

STM32, не разочаруется. Платформа STM32 идеальна для

перехода с 8-разрядного МК на 32-разрядный, и для этого

STMicroelectronics специально разработала самые доступ-

ные средства на рынке.

ССЫЛКИ

1. http://www.arm.com/products/processors/cortex-m/index.php.

2. http://www.st.com/internet/mcu/family/141.jsp.

3. http://www.icbase.com/hotic/html/docs/brstmtools0209.pdf.

4. http://www.terraelectronica.ru/news_postup.

php?ID=1669&Text=te stm32&Gde=1&Page=1.

5. http://www.rapidstm32.com.

6. http://www.coremark.org/benchmark/index.php.

Таблица 3. Энергопотребление МК STM32 в разных режимах (типовое значение при комнатной температуре)

Линейка

Частота, при которой изме-ряется потре-бление, МГц

Работа из флэш-памяти, пери-

ферия активна, мкА/МГц

Работа из RAM, перифе-рия активна,

мкА/МГц

Режим STOP, мкА

Режим Standby,

мкА

STM32F-1 74 434 375 21 3,4

STM32L 32 300 243 1,6 0,3

STM32L 4 220 180 1,6 0,3

STM32F-2 120 ТВD 415 350 4

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| ЕВРОПА ПРОДОЛЖАЕТ ДОМИНИРОВАТЬ НА РЫНКЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ | Несмотря на замедление темпов роста

индустрии солнечной энергетики, у Европы в 2011 г. будет по-прежнему львиная доля фотоэлектрических установок в

мире — 68,6%. По прогнозам IHS iSuppli, мощность фотоэлектрических установок в этом году достигнет 14,3 ГВт. Таким обра-

зом, Европа станет площадкой двух крупнейших мировых рынков солнечной энергетики — в Германии (7,1 ГВт) и в Италии

(4,1 ГВт), а также семи других рынков, включая (в порядке убывания) Францию, Бельгию, Великобританию, Чехию, Испанию,

Грецию и Болгарию. Для сравнения, в 2011 г. доля выработки энергии фотоэлектрическими установками в США, а это третий

крупнейший мировой рынок солнечной энергетики, составит 2,1 ГВт.

Несмотря на лидерство европейских стран, их доля сократится с 80% (13,8 ГВт) в прошлом году до 68,6% в 2011 г. В

текущем году темпы роста данного региона снизятся на 4,3% по сравнению с 2010 г. Плохие новости и неопределенность

на некоторых европейских рынках умерят оптимистичные ожидания относительно развития сегмента фотоэлектрических

систем в 2011 г.

Европейский регион, несмотря на свое доминирующее положение на рынке солнечной энергетики, сталкивается с

рядом проблем в одной из лидирующих стран — Италии. Ожидалось, что в текущем году Италия станет лидером европей-

ского рынка фотоэлектрических установок. Однако 3 марта итальянское правительство изменило тарифы на электроэнер-

гию, что снизило привлекательность данного рынка для инвесторов.

В Германии ситуация не лучше — инвесторы все еще сомневаются в ожидании снижения цен на эти системы. Цены

должны составить 2,0–2,2 евро за киловатт электроэнергии, что подстегнет спрос на большие системы. Слабый спрос в

Германии уже привел к увеличению складских запасов у оптовиков. В результате число заказов стало снижаться. Несмотря

на то, что Германия является лидером на рынке солнечной энергетики, показатель 2010 г. (7,1 ГВт) не будет превзойден

даже через четыре года. Так, в 2015 г. мощность фотоэлектрических установок в Германии составит всего 5 ГВт.

Вероятно, и в Испании, Франции и Чехии правительственные меры приведут к снижению инвестиций в развитие этого

направления со стороны частных компаний. Наибольшие темпы роста европейского рынка солнечной энергетики ожи-

даются в Бельгии, Болгарии, Испании и Великобритании. Однако к 2015 г. крупнейшим в мире рынком фотоэлектрических

установок станут США, обогнав Германию, которая переместится на второе место.

www.elcomdesign.ru

97

Электронные компоненты №3 2011

МИ

КР

ОС

ХЕ

МЫ

СИ

ЛО

ВО

Й Э

ЛЕ

КТ

РО

НИ

КИ

При создании LDO-регуляторов основное внимание уделяется качеству

выходного сигнала, а не эффективности преобразования. Поскольку LDO-

регуляторы — не импульсные устройства, в них отсутствует шум пере-

ключения, т.е. они фактически могут служить вторичными фильтрами

такого шума, что улучшает качество выходного сигнала в приложениях,

критичных к уровню шума. В статье излагаются ключевые требования

к LDO-регуляторам по обеспечению эффективного подавления пульсаций

источников питания (PSRR).

ШИРОКОПОЛОСНЫЕ

LDO-РЕГУЛЯТОРЫ С ВЫСОКИМ

УРОВНЕМ ПОДАВЛЕНИЯ ПУЛЬСАЦИЙ

МАСАХИ НОГАВА (MASASHI NOGAWA), КАЙЛ ВАН РЕНТЕРГЕМ (KYLE VAN RENTERGHEM), Texas Instruments

LDO-РЕГУЛЯТОР

КАК ФИЛЬТР ПУЛЬСАЦИЙ

Разработчики силовой электроники

обычно используют LDO-регуляторы

(устройства с малым падением напря-

жения) в последнем каскаде системы

питания. На рисунке 1 проиллюстри-

рована базовая концепция фильтра

пульсаций. В первом каскаде импульс-

ный регулятор преобразует вход-

ное напряжение источника питания

VIN в промежуточное напряжение

(VINTERMEDIATE). Во втором каскаде LDO-

регулятор преобразует напряжение

VINTERMEDIATE в выходное напряжение

VLDO.

Цель такой структуры — повы-

сить эффективность преобразова-

ния мощности в первом каскаде и

удалить шумы переключения во вто-

ром каскаде.

Наиболее важным фактором мини-

мизации шумов переключения во

втором каскаде является подавление

пульсаций источника питания (PSRR).

Коэффициент PSRR характеризует

подавление входных пульсаций. Как

правило, он измеряется в децибелах

и вычисляется в соответствии с выра-

жением:

. (1)

PSRR — широко известный, приня-

тый в среде силовой электроники тер-

мин, и на рынке предлагается немало

LDO-регуляторов с высоким уровнем

PSRR. В этой статье объясняется, поче-

му большинство LDO-регуляторов с

высоким уровнем PSRR не может быть

использовано в качестве фильтров

пульсаций. Рис. 1. LDO-регулятор как фильтр пульсаций

КРИВАЯ PSRR

На рисунке 2 показана кривая

PSRR традиционного LDO-регулятора

с высоким уровнем PSRR, 75-дБ пик

PSRR которого находится в диапазоне

частот 600–700 Гц. Хотя этой величи-

ны достаточно для того, чтобы полу-

чить LDO-регулятор с высоким уров-

нем PSRR, важно, чтобы подавление

пульсаций происходило на частоте

переключения источника питания.

Например, частота переключения

современных импульсных регулято-

ров находится в интервале 300 кГц…6

МГц. К сожалению, высокочастотный

шум находится за пределами полосы

частот большинства типовых регулято-

ров с высоким уровнем PSRR, поэтому

у LDO-регуляторов может не хватить

быстродействия для эффективной

фильтрации шумов переключения.

Показанная на рисунке 2 кри-

вая состоит из трех зон. Первая зона

находится в частотном диапазоне

10 Гц…1 кГц, в котором наблюдается

высокий уровень PSRR, а кривая имеет

сравнительно гладкий вид. Вторая

зона — 1…110 кГц — характеризует-

ся постоянным уменьшением PSRR. В

третьей зоне с частотами выше 110 кГц

PSRR снова начинает расти.

Первая и вторая зоны представля-

ют полосу частот эффективного PSRR,

т.е. полоса эффективного подавления

пульсаций у источника питания тра-

диционных LDO-регуляторов с высо-

ким уровнем PSRR составляет 110 кГц.

В третьей зоне увеличение PSRR про-

исходит за счет изменения импеданса

выходного конденсатора, паразитного

импеданса платы и самого конденса-

тора, в то время как собственно LDO-

регулятор в этой зоне никак не влияет

на уровень PSRR.

На рисунке 3а показана упрощен-

ная схема LDO-регулятора, состоя-

98

WWW.ELCOMDESIGN.RU

МИ

КР

ОС

ХЕ

МЫ

СИ

ЛО

ВО

Й Э

ЛЕ

КТ

РО

НИ

КИ

Рис. 2. Кривая PSRR традиционного LDO-регулятора с высоким уровнем PSRR

Рис. 3. Упрощенная схема LDO-регулятора

щего из проходного транзистора Tr1,

резистора обратной связи R1, рези-

стора R2 и выходного конденсатора

COUT с эквивалентным последователь-

ным сопротивлением RESR, а также

сопротивления нагрузки RLOAD. С точки

зрения поведения PSRR, рисунок 3А

можно разделить на две части: Z1 и

Z2. В этом случае PSRR определяется

следующим образом:

. (2)

В первой зоне графика PSRR уси-

литель рассогласования имеет высо-

кий коэффициент усиления. Благодаря

этому Z1 хорошо регулируется, что спо-

собствует повышению PSRR.

На границе между первой и второй

зонами коэффициент усиления усили-

теля начинает уменьшаться, обычно со

скоростью 20 дБ/декаду. Меньшие зна-

чения коэффициента усиления ведут к

снижению чувствительности контура

обратной связи к изменениям выходно-

го напряжения, поэтому скорость изме-

нения импеданса проходного транзи-

стора в ответ на входные возмущения

также уменьшается, чем и объясняется

падение PSRR регулятора во второй

зоне.

С ростом частоты импеданс выход-

ного конденсатора падает, что усили-

вает ослабление пульсаций на выходе

устройства. Именно этим объясняется

рост PSRR регулятора в третьей зоне. На

границе между второй и третьей зона-

ми импеданс Z2 снижается до уровня,

после которого большинство сигналов

закорачивается через конденсатор на

землю, вместо того чтобы активно осла-

бляться LDO-регулятором. Поскольку в

третьей зоне LDO-регулятор не вносит

существенного вклада в PSRR, проход-

ной транзистор можно считать рези-

стором, который всего лишь пассивно

ослабляет пульсации. На рисунке 3б

проиллюстрирована эта ситуация.

На рисунке 4 показан идеальный

график PSRR, который можно было бы

получить при использовании в схеме

рисунка 3б идеальных пассивных

компонентов. График был получен с

помощью типовых значений параме-

тров реальных ИС. В этой статье RMOS

рассчитывалось по следующему урав-

нению:

, где

. (3)

Эта кривая очень похожа на пове-

дение PSRR в третьей зоне на рисун-

ке 2. Рисунок 3б является хорошим

концептуальным представлением LDO-

регулятора в этой зоне.

100

WWW.ELCOMDESIGN.RU

МИ

КР

ОС

ХЕ

МЫ

СИ

ЛО

ВО

Й Э

ЛЕ

КТ

РО

НИ

КИ

ШИРОКОПОЛОСНЫЕ LDO-

РЕГУЛЯТОРЫ С ВЫСОКИМ УРОВНЕМ

PSRR

Для решения проблемы высокоча-

стотного PSRR были разработаны высо-

копроизводительные LDO-регуляторы,

например, TPS7A8001 (см. рис. 5).

Широкополосный LDO-регулятор с

высоким уровнем PSRR вместо очень

больших значений PSRR в низкочастот-

ной зоне должен иметь относительно

высокий PSRR в рабочем частотном диа-

пазоне современных импульсных регу-

ляторов, который обычно составляет

300 кГц…6 МГц. На рисунке 3 частотный

диапазон (первая и вторая зоны) эффек-

тивного PSRR у широкополосного LDO-

регулятора составляет 1 МГц.

Рис. 4. График PSRR для схемы на рисунке 3б

Рис. 5. График PSRR широкополосного LDO-регулятора с высоким уровнем PSRR

СРАВНЕНИЕ СПЕКТРОВ

VINTERMEDIATE и VLDO

На рисунках 6 и 7 проиллюстриро-

ван эффект влияния высокочастотно-

го входного шума на работу широко-

полосных LDO-регуляторов. Отметим,

что приведенные графики соответ-

ствуют спектрам VINTERMEDIATE, одинако-

вым для обоих LDO-регуляторов, и

VLDO. Приведенные диаграммы полу-

чены из Фурье-преобразований, кото-

рые сами по себе не являются графи-

ками спектральной плотности. Такие

диаграммы, как правило, используют-

ся для выявления поведения шумов.

Рисунок 6 соответствует комбина-

ции традиционного понижающего

импульсного регулятора, соединенно-

го с традиционным LDO-регулятором

с высоким уровнем PSRR. На рисунке 7

показана комбинация того же самого

импульсного регулятора и широко-

полосного LDO-регулятора с высоким

уровнем PSRR.

Самый большой пик VINTERMEDIATE нахо-

дится на частоте переключения 285 кГц.

Кривая VINTERMEDIATE также содержит гар-

моники частоты переключения и суб-

гармоники. Величина пика на частоте

285 кГц составляет –43 дБВ, что эквива-

лентно 40-мВ размаху пульсаций:

Из сравнения рисунков 6 и 7 видно,

что широкополосный LDO-регулятор

справляется с пульсациями VINTERMEDIATE

гораздо лучше традиционного. На

частоте субгармоники 143 кГц тра-

101

Электронные компоненты №3 2011

МИ

КР

ОС

ХЕ

МЫ

СИ

ЛО

ВО

Й Э

ЛЕ

КТ

РО

НИ

КИ

Рис. 6. Спектр традиционного LDO-регулятора с высоким уровнем PSRR

Рис. 7. Спектр широкополосного LDO-регулятора с высоким уровнем PSRR

Рис. 8. Временные сигналы традиционного LDO-регулятора с высоким уровнем PSRR

диционный LDO-регулятор пропуска-

ет от входа к выходу большую часть

пульсаций, поскольку на частоте 285

кГц в соответствии с рисунком 2 его

кривая PSRR падает практически до

нуля.

СРАВНЕНИЕ ФОРМ СИГНАЛОВ

VINTERMEDIATE И VLDO ВО ВРЕМЕННОЙ

ОБЛАСТИ

Рисунки 8 и 9, представляющие

сигналы VINTERMEDIATE и VLDO во времен-

ной области, подтверждают ослабле-

ние напряжения, описанное выше. Из

рисунков видно, что VINTERMEDIATE, одина-

ковое в обоих графиках, имеет форму

синусоидального сигнала с размахом

амплитуд приблизительно 40 мВ, что

соответствует расчетам по уравне-

нию (2), и с частотой порядка 285 кГц,

что равно рабочей частоте переклю-

чения регулятора. У традиционного

LDO-регулятора с высоким уровнем

PSRR на выходе видна отчетливая

синусоида, имеющая частоту вход-

ного сигнала (см. рис. 8). Оставшиеся

пульсации на сигнале VLDO оказывают

влияние на все устройства, питающи-

еся от данного регулятора, что может

сказаться на их работе.

Из рисунка 9 видно, что выход-

ной сигнал широкополосного LDO-

регулятора имеет практически сгла-

женный вид, что обеспечивает пода чу

качественного сигнала напряжения

на подключенные к нему устрой-

ства.

Например, для корректной рабо-

ты АЦП и ЦАП требуются источ-

ники питания с качественным

выходным сигналом, например, LDO-

регуляторы с высоким уровнем PSRR.

Высокочастотные приложения также

очень чувствительны к качеству сиг-

налов источников питания, посколь-

ку любые пульсации по шине питания

102

WWW.ELCOMDESIGN.RU

МИ

КР

ОС

ХЕ

МЫ

СИ

ЛО

ВО

Й Э

ЛЕ

КТ

РО

НИ

КИ

Рис. 9. Временные сигналы широкополосного LDO-регулятора с высоким уровнем PSRR

могут повлиять на выходной радиосиг-

нал АМ- и FM-диапазонов. Уменьшая

пульсации источников питания, часто

удается улучшить рабочие характери-

стики всей системы в целом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При использовании LDO -

регулятора в качестве вторичного

фильтра следует не только добивать-

ся максимального значения PSRR, но

также учитывать величину PSRR на

частоте переключения источника

питания. В приложениях, чувстви-

тельных к высокочастотным шумам,

эффективнее использовать широко-

полосные LDO-регуляторы с высо-

ким уровнем PSRR типа TPS7A8001,

а не традиционные LDO-регуля-

торы.

ЛИТЕРАТУРА

1. S. Pithadia & S. Lester. LDO PSRR Measure ment

Simplifi ed. July 27. 2009. Texas Instru ments.

2. J. Teel. Understanding power supply ripple

rejection in linear regulators. August 5. 2005.

Texas Instruments.

103

Электронные компоненты №3 2011

IRS2795(1,2)S (далее IRS2795) имеет высокий уровень

защиты и позволяет разработчику настраивать следующие

параметры: частоту переключения (максимум 500 кГц) с

фиксированным коэффициентом заполнения, равным 50%,

частоту и время плавного старта, длительность мертвого

времени для оптимизации режима переключения в нулях

напряжения (ПНН).

Микросхема обеспечивает защиту по току, используя

сопротивление открытого канала нижнего транзистора

(Rds(on)), что позволяет убрать из схемы дополнительный

токосъемный резистор. Защитный порог составляет 2 В

для IRS27951 и 3 В для IRS27952. Другими особенностями

IRS-2795 являются работа при напряжении смещения

верхнего плеча до 600 В, микропотребление при запуске,

ультранизкий ток собственного потребления и запускае-

мый пользователем режим сна с минимальным потребле-

нием. Типовая схема включения IRS2795 представлена на

рисунке 1.

В настоящее время популярность резонансного пре-

образователя набирает обороты, и связано это в первую

очередь с его высокой эффективностью, низкими шумами

при переключении транзисторов и возможностью реа-

лизации на его основе достаточно мощных источников

International Rectifi er представила первый полумостовой резонансный контроллер, выполненный в 8-выводном

корпусе SO-8. Небольшое количество выводов позволяет упростить разработку высокоэффективного источ-

ника питания на основе контроллера и снизить общую стоимость системы. В статье представлены расчеты

и рассказывается о выборе элементов для построения типового резонансного LLC-преобразователя на основе

IRS2795.

ЮРИЙ НОВИКОВ, инженер

МАКСИМ СОЛОМАТИН, бренд-менеджер, «Компэл»

Разработка полумостового

резонансного преобразователя

на основе IRS2795

Рис. 1. Типовая схема включения IRS2795

питания. Мощная часть схемы типового резонансного пре-

образователя представлена на рисунке 2.

Транзисторы M1 и M2 работают со скважностью 50%,

а выходное напряжение регулируется посредством

изменения частоты переключения преобразователя.

Преобразователь имеет две резонансные частоты — ниж-

нюю (обусловленную элементами Lm, Lr, Cr и нагрузкой) и

фиксированную верхнюю Fr1 (обусловленную только Lr и Cr).

Транзисторы М1 и М2 могут мягко переключаться во всем

диапазоне нагрузок, т.е. находиться в режиме ПНН; при

этом частота переключения может быть как выше, так и

ниже резонансной Fr1.

На рисунке 3 представлены типовые передаточные

характеристики резонансного LLC-преобразователя.

Семейство кривых на графике показывает передаточное

значение при различных нагрузках. Вся область пере-

даточных характеристик может быть разделена на три

участка, связанных с тремя различными режимами работы

преобразователя.

УЧАСТОК 1 соответствует режиму работы преобра-

зователя на частоте выше резонансной. В этом случае

индуктивность намагничивания Lm никогда не резонирует

с конденсатором Cr и служит нагрузкой для последова-

104

WWW.ELCOMDESIGN.RU

тельного резонансного контура. Это участок, на котором

преобразователь работает на индуктивную нагрузку и

всегда находится в режиме ПНН независимо от условий

на выходе.

НА УЧАСТКЕ 2 частота переключения больше нижней

резонансной частоты, но меньше Fr1. Значение нижней

резонансной частоты зависит от нагрузки, поэтому

граница между участками 2 и 3 проходит по пиковому

значению семейства кривых. На участке 2 работа пре-

образователя может быть разделена на два временных

интервала. На первом интервале Lr резонирует с Cr, а

напряжение на Lm ограничено выходным напряжением.

Второй интервал наступает, когда ток, протекающий

через Lr, спадает до тока намагничивания, Lr и Cr пере-

стают резонировать и Lm начинает участвовать в резо-

нансном процессе. На этом интервале Cr резонирует с

последовательным соединением Lr и Lm. На участке 2

работа преобразователя в режиме ПНН обеспечивается

нахождением рабочей точки на правой стороне нагрузоч-

ной кривой.

НА УЧАСТКЕ 3 преобразователь находится в режиме

переключения при нулях тока (ПНТ), транзисторы М1 и М2

Рис. 2. Принципиальная схема полумостового резонансного преобразователя

Рис. 3. Типовые передаточные характеристики резонансного преобразователя

переключаются в жестких условиях, что приводит к боль-

шим потерям, поэтому надо стараться избегать работы

преобразователя в этом режиме.

Из рисунка 3 видно, что при фиксированном входном

напряжении контроллер изменяет частоту переключения

для регулировки выходного напряжения при изменении

нагрузки, т.е. рабочая точка «скачет» между кривыми, соот-

ветствующими разным нагрузкам. При фиксированной

нагрузке контроллер изменяет частоту переключения для

регулировки выходного напряжения при изменении вход-

ного напряжения. При этом рабочая точка двигается по

одной кривой, соответствующей текущей нагрузке.

Чтобы упростить расчет элементов преобразователя,

представленного на рисунке 2, необходимо привести все

элементы вторичной стороны трансформатора к первич-

ной, в результате чего получаем эквивалентную схему

замещения, представленную на рисунке 4.

РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ РЕЗОНАНСНОГО КОНТУРА

Для примера приведем расчет элементов преобразо-

вателя с выходным напряжением 24 В мощностью 240 Вт,

основные параметры которого представлены в таблице 1.

105

Электронные компоненты №3 2011

ШАГ 1. Расчет коэффициента передачи трансформатора

Коэффициент передачи рассчитывается, исходя из мак-

симального входного напряжения, чтобы при любых усло-

виях на входе иметь возможность регулировки выходного

напряжения.

Выбираем n = 9.

ШАГ 2. Выбор числа k

k — это отношение индуктивности намагничивания

трансформатора Lm к резонансной индуктивности Lr. Как

видно из рисунка 5, меньшее значение k дает более кру-

тую передаточную кривую, особенно в области частот

ниже резонансной. При меньшем k выходное напряжение

более чувствительно к изменению частоты.

Более высокое значение k ведет к увеличению индук-

тивности намагничивания и, как следствие, создает мень-

ший ток намагничивания первичной обмотки трансформа-

тора, что означает меньшие потери на перемагничивание.

Однако высокие значения индуктивности намагничивания

также могут быть причиной работы вне области ПНН

при высоком входном напряжении или на холостом ходу.

Рекомендованный диапазон значений k — от 3 до 10.

Выберем k = 5.

ШАГ 3. Расчет максимальной добротности Qmax для

режима ПНН при максимальной нагрузке и минимальном

входном напряжении

Входной импеданс схемы замещения (см. рис. 4) вычис-

ляется по формулам:

где

,

Рис. 4. Схема замещения резонансного контура

Таблица 1. Параметры преобразователя для расчета

ПАРАМЕТРЫ ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ОПИСАНИЕ ВЕЛИЧИНЫ

Vinmax В Максимальное входное напряжение 430

Vinmin В Минимальное входное напряжение 350

Vinnom В Номинальное входное напряжение 390

Vout В Выходное напряжение 24

Iout А Максимальный выходной ток 10

Fr1 кГц Резонансная частота 100

Fmax кГц Максимальная частота переключения 150

Dmax Максимальный коэффициент заполнения 0,5

Tss мс Длительность плавного старта 10

Fss кГц Частота при запуске 300

Сердечник ETD49

а x — отношение частоты переключения к резонансной:

.

Чтобы обеспечить работу преобразователя в режиме

мягкого переключения, необходимо, чтобы рабочая точка

находилась в зоне ПНН (см. рис. 3). Линия границы режи-

мов ПНН и ПНТ соответствует фазовому углу Ф(Zin) = 0

(условие границы между емкостной и индуктивной нагруз-

кой), т.е. мнимой части Zin, равной 0. Учитывая это условие,

можно рассчитать максимальное значение добротности,

при котором преобразователь будет оставаться в режиме

ПНН. Максимальное значение Q получается при минималь-

ном входном напряжении и максимальной нагрузке:

,

где Mmax — максимальное передаточное отношение при

минимальном входном напряжении.

Qmax = 0,456.

106

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ШАГ 4. Расчет минимальной частоты переключения

Минимальная частота переключения получается при

максимальной нагрузке и минимальном входном напря-

жении, т.е. при максимальной добротности Qmax и при

Im(Zin) = 0:

.

Рассчитать Fmin можно, исходя из Xmin:

.

Xmin = 0,607

Fmin = x min · Frl = 60,7 Кгц

ШАГ 5. Расчет Lr, Cr и Lm

Значения Lr, Cr и Lm рассчитываются, исходя из Qmax:

,

.

Выберем ближайшее значение из ряда Cr = 22 нФ.

Пересчитаем значение Fr1, чтобы сохранить Qmax при

выбранном значении Cr:

.

Пересчитаем Lr:

.

Чтобы оставаться в режиме ПНН, реальное значение Lr

должно быть меньше рассчитанного. Теперь рассчитаем Lm

из Lr и k:

.

Следует помнить, что суммарное значение индуктивно-

сти первичной стороны равно:

.

Для упрощения мощной части преобразователя резо-

нансный дроссель часто совмещают с трансформатором,

используя для этого каркас с двумя секциями (см. рис. 6).

Связь между первичной и вторичной обмотками гораз-

до хуже, когда они намотаны на такой каркас, чем при

намотке на одиночный. Из-за этого индуктивность утечки

достаточно велика и может использоваться в качестве

резонансной. При этом используется меньше элементов,

и уменьшаются потери на проводимость. Индуктивность

первичной обмотки Lp измеряется при разомкнутых вто-

ричных обмотках, а индуктивность утечки — при замкну-

тых.

ШАГ 6. Расчет количества витков первичной и вторич-

ной обмоток

Используем стандартное выражение для расчета коли-

чества витков первичной обмотки трансформатора полу-

мостового преобразователя:

,

где ΔB = 0,2 Тл , Ae = 2,11 см2 (для сердечника ETD49),

Fmin = 60 кГц , Vinmin = 350 В , Dmax = 0,5.

Получаем:

Выбираем Ns = 4.

Пересчитываем Np:

.

ШАГ 7. Расчет токов первичной и вторичной обмоток

трансформатора

Большинство резонансных LLC-преобразователей раз-

рабатывается таким образом, чтобы минимальная частота

переключения была ниже резонансной частоты Fr1. Это

делается для того, чтобы обеспечить возможность регули-

ровки выходного напряжения при пониженном входном

напряжении и максимальной нагрузке. В этом режиме

временные диаграммы тока первичной обмотки трансфор-

матора выглядят так, как показано на рисунке 7.

I1 — значение тока, когда резонансный ток через Lr

равен току намагничивания через Lm, также — это точка

конца первой резонансной полуволны. В этой точке

энергия перестает передаваться в нагрузку, и выходные

диоды выключаются, Cr начинает резонировать с Lr + Lm

до тех пор, пока транзисторы полумоста не сменят свое

состояние и не начнется вторая полуволна. I1 может быть

рассчитан как:

.

Пиковое и среднеквадратичное значения тока соответ-

ственно равны:

,

107

Электронные компоненты №3 2011

.

Среднеквадратичное значение тока рассчитывается для

случая, когда ток имеет форму чистого синуса, поэтому

его реальное значение будет немного выше. Форма тока

в каждой из вторичных обмоток очень близка к полусину-

соиде, поэтому пиковое и среднеквадратичное значения

тока вторичных обмоток могут быть рассчитаны по фор-

мулам:

.

Диаметры проводов первичной и вторичной обмоток

должны быть выбраны с учетом рассчитанных среднеква-

дратичных значений токов.

ШАГ 8. Расчет напряжения на резонансном конденсаторе

Временные диаграммы напряжения и тока через

конденсатор Cr представлены на рисунке 8. ILm — ток

намагничивания первичной обмотки трансформатора, не

включающий ток, который передается в нагрузку через

идеальный трансформатор, включенный параллельно Lm

(см. рис. 9). Разница между током ILr и ILm является током

нагрузки.

Напряжение на конденсаторе VCr достигает максиму-

ма, когда ток через индуктивность Lr пересекает ноль, VCr

равно половине входного напряжения, когда ток через Lr

имеет максимальное значение. При этом напряжение на

Cr максимально, когда напряжение на средней точке (VS)

равно нулю и минимально, когда напряжение на VS равно

входному, поэтому они могут быть рассчитаны так:

.

Размах напряжения VCr равен VСrmax – VCrmin:

.

Максимальный размах напряжения на конденсаторе

получается при максимальной нагрузке и минимальном

входном напряжении, т.е. при минимальной частоте пере-

ключения Fmin. В нашем примере:

.

Резонансный конденсатор Cr выбирается, исходя из

значения рассчитанной емкости, напряжения и тока

через конденсатор. Для снижения потерь в качестве Cr

рекомендуется использовать полипропиленовый пле-

ночный конденсатор. При выборе конденсатора следует

учитывать, что характеристики по напряжению этого типа

конденсаторов даны для работы на постоянном напря-

жении либо на переменном напряжении частотой 50 Гц,

т.е. конденсатор имеет дополнительное ограничение по

напряжению при работе на высоких частотах. Способность

конденсатора выдерживать напряжение высокой частоты

ограничена значениями максимальной рассеиваемой мощ-

ности и пикового тока. Поэтому, если даже по результатам

расчетов максимальное среднеквадратичное напряжение

на конденсаторе равно 130 В, следует выбрать конденса-

тор с более высокими характеристиками по напряжению с

учетом зависимости максимально допустимого напряже-

ния от частоты.

РАСЧЕТ ПАССИВНЫХ КОМПОНЕНТОВ ОБВЯЗКИ IRS2795

ШАГ 9. Расчет минимального мертвого времени для

режима ПНН при максимальном входном напряжении и на

холостом ходу

В резонансном полумостовом преобразователе частота

переключения максимальна на холостом ходу и при макси-

мальном напряжении на входе. Теоретически, при частоте

переключения ниже резонансной преобразователь дол-

жен находиться в режиме ПНН, однако в реальности это

только одно из необходимых условий режима ПНН. Второе

условие требует, чтобы эквивалентная паразитная емкость

средней точки (VS) была полностью заряжена/разряжена в

течение длительности мертвого времени.

На рисунке 10 показано, что при недостаточной

длительности мертвого времени транзисторы пере-

ключаются в жестком режиме, даже при условии работы

Рис. 5. Влияние k на вид передаточных характеристик

108

WWW.ELCOMDESIGN.RU

преобразователя на частоте ниже резонансной. Чтобы

обеспечить работу преобразователя в режиме ПНН,

необходимо рассчитать минимальное время, необходи-

мое для полного заряда/разряда эквивалентной емко-

сти средней точки.

Эквивалентная емкость заряжается/разряжается пер-

вичным током трансформатора, поэтому нулевая нагрузка

и максимальное входное напряжение являются наихудши-

ми условиями, т.к. при этом ток вторичной обмотки транс-

форматора равен нулю и в первичном контуре протекает

только ток намагничивания. Пиковое значение этого тока

равно:

Суммарная эквивалентная емкость средней точки CHB

показана на рисунке 11.

.

CHB включает:

C − OSS двух транзисторов;

С − RSS нижнего транзистора. СRSS обычно указывается

для напряжения VDS = 25 В и уменьшается с ростом этого

напряжения, поэтому в качестве эффективного значения

можно взять половину значения СRSS;

С − Well — емкость утечки драйвера верхнего плеча

IRS2795, равная примерно 5 пФ;

демпфирующий конденсатор Cs (если используется). −

Рис. 7. Ток первичной обмотки трансформатора при полной нагрузке и минимальном входном напряжении

Для примера рассчитаем время заряда/разряда CHB

при использовании транзистора STF13NM50N в схеме без

демпфирующего конденсатора.

При расчете мертвого времени также необходимо

учесть время спада выходного напряжения драйвера

затвора IRS2795. Временные диаграммы выключения

MOSFET-транзистора представлены на рисунке 12; для при-

мера взят вывод LO и нижний транзистор.

В расчет мертвого времени должно быть включено

только время t1, т.к. время заряда средней точки начина-

ется с t2 и уже включено в Tch. На протяжении t1 напряже-

ние VDS равно 0, и затвор транзистора является просто

емкостной нагрузкой для драйвера. Поэтому время разря-

да t1 можно рассчитать через постоянную времени RC-цепи

затвора:

,

где

Rdown_eff — подтянутое к земле сопротивление драйвера

IRS2795 (6 Ом);

Rg — токоограничивающий резистор затвора;

RgFET — входное сопротивление затвора транзистора.

Эквивалентная емкость затвора для STF13NM50 равна

2,32 нФ, входное сопротивление затвора равно 5 Ом, Vgs(th)

равно 3 В. Если Vcc = 15 В, Rg = 10 Ом получаем:

.

Мертвое время должно быть больше суммы Tch и t1,

по этому следует добавить 50 нс к рассчитанному значе-

нию. Минимальное мертвое время получается равным:

.

Рис. 6. Сердечник с двухсекционным каркасом

109

Электронные компоненты №3 2011

Рис. 8. Напряжения и токи в LLC-резонансном контуре

Рис. 9. Разделение трансформатора на идеальный и Lm

Рис. 10. Мягкое и жесткое переключение транзисторов на частоте ниже резонансной

110

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Для большинства разработок не рекомендуется

мертвое время больше 1 мкс, т.к. большее значение

приводит к большим потерям во внутреннем диоде

транзистора при полных нагрузках. Поэтому, если

рассчитанное мертвое время слишком большое, необ-

ходимо вернуться в шагу 2 и выбрать меньшее значе-

ние k.

Когда все параметры системы рассчитаны, можно пере-

ходить к выбору компонентов обвязки IRS2795, которые

показаны на рисунке 13.

.

Для работы преобразователя в режиме ПНН выби-

раем СT больше рассчитанного значения: СT = 390 пФ.

Рассчитываем реальное мертвое время:

.

Рассчитываем RT, исходя из минимальной частоты пере-

ключения Fmin и СT:

.

RT необходимо выбрать меньше рассчитанного для

работы в режиме ПНН. Рассчитываем Rmax, исходя из Fmax,

CT, RT:

.

Рассчитываем Rss с учетом желаемой частоты при

за пуске:

.

Рис. 11. Суммарная эквивалентная емкость средней точки

Рис. 12. Временные диаграммы и цепь выключения нижнего транзистора

Рис. 13. Внешние элементы генератора IRS2795

111

Электронные компоненты №3 2011

Рассчитываем Css с учетом желае-

мого времени запуска:

.

Для запуска режима плавного

старта после быстрого перезапуска

IRS2795 необходимо, чтобы к началу

старта вывод RT был разряжен до 0

В. Для этого используется диод Dss,

включенный параллельно резистору

Rss, чтобы быстро разрядить конден-

сатор Css при выключении микросхе-

мы, входе в режим сна или ошибке.

В результате удалось показать,

как на основе нового резонансного

контроллера IRS2795 от International

Rectifi er достаточно просто реализу-

ется LLC-преобразователь с выход-

ной мощностью 240 Вт. Мощность

разрабатываемого источника пита-

ния не ограничена этим значением,

ее можно увеличить выбором более

мощных силовых элементов и при

необходимости использовать внеш-

ний драйвер для управления транзи-

сторами.

СОБЫТИЯ РЫНКА

| ЧТО ГОВОРЯТ АНАЛИТИКИ О СДЕЛКЕ МЕЖДУ TEXAS INSTRUMENTS И

NATIONAL SEMICONDUCTOR | Как уже сообщалось, Texas Instruments подписа-

ла окончательный договор о приобретении компании National Semiconductor

за 6,5 млрд долл. Что говорят по этому поводу аналитики рынка?

Крэйг Бергер (Craig Berger), эксперт компании FBR, считает, что эта сдел-

ка вполне оправдана, и это наилучший выбор для National Semiconductor.

Размер договора не так уж мал, учитывая темпы роста National, но и не столь

велик, принимая во внимание ту синергию и возможность снижения стоимо-

сти продукции, которой TI, вероятно, воспользуется в ближайшие годы.

Действительно, TI совместно с National могут претендовать на 18% рынка

аналоговых компонентов, оставив за собой ближайших конкурентов —

Analog Devices (6%), Maxim (6%), Linear Technology (4%) и Intersil (4%).

Одним из главных стимулов этого приобретения стала возможность

пополнения портфеля TI примерно 12 тыс. новых компонентов. TI заявила,

что продолжит работать на 150- и 200-мм фабриках NS. Учитывая их средние

показатели загруженности в 60% и низкие производственные издержки,

можно сделать вывод, что TI выгодно медленно переводить производство

NS на свои 300-мм фабрики.

Бобби Берлсон (Bobby Burleson), аналитик Canaccord Genuity, заявил,

что инвесторов, скорее всего, привлечет идея слияния двух компаний на

данном этапе развития полупроводниковой индустрии. Пересечение групп

продукции TI и NS минимально, т.к. аналоговый портфель TI, в первую оче-

редь, предназначен для рынка связи и вычислений (64% выручки в 2010 г.),

а для NS крупнейшим рынком является промышленное оборудование (46%

выручки в 2010 г.). После завершения сделки на долю аналоговой продукции

придется почти 50% всех доходов Texas Instruments.

По мнению аналитиков IHS iSuppli, приобретение National Semiconductor,

вероятно, позволит Texas Instruments стать третьим крупнейшим полупрово-

дниковым производителем в мире, потеснив японскую корпорацию Toshiba.

За счет этого приобретения Texas Instruments укрепит свое лидерство и на

рынке стабилизаторов напряжения. В 2010 г. TI была ведущим поставщиком

данных устройств с доходом в 1,7 млрд долл., составившим 18,1% от выручки.

NS была третьим крупнейшим поставщиком на этом рынке с доходом в 758

млн долл. (15,2% от выручки).

Эта сделка укрепит доминирующее положение Texas Instruments еще в

одном сегменте — производстве микросхем аналоговых компараторов. В

2010 г. TI заработала 932 млн долл., что равнозначно доле в 24,6% на этом

рынке.

www.elcomdesign.ru

113

Электронные компоненты №3 2011

Компания Amphenol — один из крупнейших производи-

телей широкого спектра соединителей в мире. Продукция

компании применяется практически во всех прикладных

областях и отраслях промышленности для обеспечения

контактов на печатных платах и между ними, для внутри-

блочного монтажа, формирования кросс-плат и обеспе-

чения контакта между блоками. Соединители Amphenol

применяются и в устройствах, эксплуатация которых про-

исходит в жестких режимах, например в бортовой аппара-

туре, а также в условиях агрессивной внешней среды, при

высоких климатических и механических нагрузках. Такой

подход предполагает, что соединители изначально раз-

рабатываются в полном соответствии со стандартами MIL

и им подобными. Многие разработки компании являются

инновационными, а впоследствии становятся отраслевы-

ми стандартами.

В области оптоволоконной передачи данных

Amphenol использует две основные технологии соедине-

ния кабелей: соединение встык либо с использованием

рассеивающих линз. Обе технологии имеют свои достоин-

ства и недостатки.

В статье рассмотрены оптоволоконные соединители Amphenol, предназначенные для решения широкого спек-

тра задач, связанных с высокоскоростной передачей данных, и обеспечивающие высоконадежные контакты

оптоволоконных кабелей при низких потерях сигнала.

АНДРЕЙ ИВАНОВ, руководитель направления «Соединители», «Радиант-Элком»

Оптоволоконные разъемы компании

Amphenol для сложных условий

эксплуатации

Стыковое соединение (см. рис. 1) более критично к каче-

ству обработки концов кабеля, точности их совмещения

с помощью керамических втулок. При этом более высока

вероятность попадания грязи на соединяемые части, но

обеспечиваются меньшие потери сигнала в соединителе.

Соединение с использованием линз (см. рис. 2) менее

критично к качеству обработки концов кабеля, точности

совмещения и легче поддается очистке в случае попада-

ния грязи на соединяемые части. Плата за это — большие

потери сигнала в соединителе.

Для решения различных задач компания предлагает

широкий выбор соединителей (более 60 видов), с исполь-

зованием обеих технологий. В таблице 1 представлены

некоторые виды соединителей для технологии стыкового

соединения. Примеры соединителей для линзовой техно-

логии показаны в таблице 2.

Рис. 1. Стыковое соединение и его недостатки

Рис. 2. Линзовая технология

Таблица 1. Соединители для технологии стыкового соединения

Многоканальный разъем TFOCA II

Миниатюрный разъем HQM

Оптические контакты для разъемов MIL-38999

Разъемы MBP для установки на кросс-платы

Двухволоконные разъемы ECTAOP в металлических корпусах с технологией Push-Pull

114

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Таблица 3. Спецификация на TFOCA II 4-волоконный разъем

Параметры Стандартные Максимальные

Вносимые потери (многомодовый), дБ 0,3 0,75

Вносимые потери (одномодовый), дБ 0,4 0,75

Обратное отражение (одномодовый — UPC-тех-но логия), дБ

–50 –40

Рабочая температура, °С –46…71

Температура хранения, °С –55…85

Загрязнение5-мин. погружение, очистка водой(MIL-C-83526/12/13)

Погружение MIL-STD-810, метод 512.4, 1 м, 48 ч

Замерзание DOD-STD-1678, метод 4050

Влажность DOD-STD-1678, метод 4030, 10 циклов

Воспламеняемость MIL-STD-1344, метод 1012

Виброустойчивость MIL-STD-1344, метод 1012

Ударопрочность EIA/TIA-455-14, условия А

Количество циклов сочленения 2 тыс. циклов по EIA/TIA-455-21

Таблица 2. Соединители для линзовой технологии

2—8 волоконные разъемы CTOS-CTOL

Миниатюрные разъемы HMA II

Миниатюрные разъемы HLM

Рис. 3. Разъемы TFOCA II

Рис. 4. Разъемы серии HQM

РАЗЪЕМЫ СЕРИИ TFOCA II

Разъемы этого типа (см. рис. 3) были разработаны ком-

панией в 1999 г. для вооруженных сил США, они отвечают

высоким требованиям военных стандартов к такого типа

изделиям. «Изюминкой» этих разъемов являются плотно

соединяемые, но свободно плавающие контакты, которые

за счет возможности перемещения в двух плоскостях обе-

спечивают незначительное усилие сочленения. Позднее

4-волоконный разъем стал стандартом для американской

армии. Спецификация на TFOCA II 4-волоконный разъем

приведена в таблице 3.

Особенности конструкции разъемов TFOCA II:

– съемные защитные наконечники;

– возможность соединения 4 оптических волокон в

одном разъеме;

– увеличенное усилие вытягивания кабеля из разъема;

– цинк-никелевое покрытие;

– объединенная втулка для волокон (обеспечивает луч-

шую устойчивость к механическим воздействиям);

– возможность ремонта в полевых условиях;

– возможны исполнения корпуса из нержавеющей

стали или бронзы.

Соответствие таких разъемов высоким эксплуатацион-

ным требованиям позволяет использовать их в военных

и аэрокосмических применениях, а также в нефтегазовом

производстве.

РАЗЪЕМЫ СЕРИИ HQM

Разъемы этой серии (см. рис. 4) были специально раз-

работаны для упрощения подготовки кабельных сборок

в применениях, где требования к соединителю не столь

жестки, как в случае с разъемом TFOCA. В этих разъемах

используются подпружиненные керамические втулки,

обеспечивающие снижение потерь при передаче сигна-

ла. Спецификация на разъем серии HQM представлена в

таблице 4.

Особенности разъема HQM:

– гермафродитный разъем с байонетным замком;

– возможность соединения «кабель–кабель», либо уста-

новки розетки на стенку прибора;

– хвостовик разъема допускает разборку блока с кера-

мическими втулками для чистки;

– съемный корпус розетки на стенке прибора позволя-

ет производить чистку без демонтажа;

– возможность выбора материала и типа покрытия.

РАЗЪЕМЫ CTOS-CTOL

Разъемы серии CTOS-CTOL были специально разрабо-

таны для применения в полевых условиях, где часто

при ходится производить рассоединение и последующее

соеди нение кабеля непосредственно в грязи (см. рис. 5).

Этим продиктованы и особенности конструкции данных

разъемов с использованием линзовой технологии. Спе ци-

фи ческая конструкция линз обеспечивает их большой диа-

метр и легкую очистку от пыли и грязи. Корпус позволяет

производить легкую стыковку разъема вслепую. Спе ци фи-

кация на разъемы CTOS и CTOL представлена в таблице 5.

Особенности конструкции:

– позволяет производить соединение в перчатках и

вслепую;

Таблица 4. Спецификация на разъемы серии HQM

Параметры Показатели

Рабочая температура, °С –55…85

Вносимые потери 0,4 дБ на 62,5/125 волокне

Типы кабеля 50/125 или 62,5/125

Материалы корпусаАлюминий с цинк-кобальтовым оливковым покрытием либо нержавеющая сталь

Количество циклов сочленения не менее 500

Рис. 5. Разъем серии CTOS-CTOL

115

Электронные компоненты №3 2011

– большая рассеивающая линза;

– антибликовое, легко поддающееся очистке, защитное

окно;

– ударопрочное исполнение;

– обеспечивают экономически эффективный ремонт в

полевых условиях;

– предназначены для многомодового кабеля (по запро-

су есть возможность изготовления разъемов для одномо-

дового кабеля).

Приведенные характеристики позволяют смело предла-

гать названные разъемы для применения в самых тяжелых

условиях эксплуатации при непосредственной установке

оборудования в поле.

Помимо упомянутых в статье компания Amphenol

выпускает широкий спектр оптоволоконных разъемов

стандартных типов LX, SC, ST, FC, SMA и т.д. Такое много-

образие позволяет решать практически любую задачу по

проектированию оптоволоконных линий передачи дан-

ных с помощью соединителей Am phe nol.

ЗАО «Радиант-Элком» является официальным дистри-

бьютором компании Amphenol в России. Консультацию по

продукции Amphenol, каталоги производителя, образцы

Таблица 5. Спецификация на разъемы CTOS и CTOL

Параметры Стандартные Стандарты

Количество волокон 1, 2 или 4 для CTOS, 2,4,6,8 для CTOL

Вносимые потери (одномодо-вый)

Для многомодового кабеля 50/125 при длине волны 1300 нм в зависимости от типа передатчика: 0,8…2 дБ

Количество циклов сочленения Более 10 тыс. MIL-STD-810E

Рабочая температура, °С –55…85 MIL-STD-810D

Виброустойчивость 10…2000 Гц, 10g, 1,5 мм, в 3 направ-лениях

MIL-STD-810E

Ударопрочность 50g, по 3 осям MIL-STD-810E

Устойчивость к загрязнениям Соответствует MIL-C-83526 13

Падение 26 падений с высоты 1,2 м на бетон MIL-STD-810D

Погружение в воду Более 5 м

Солевой туман 500 ч MIL-STD-810D

Сопротивление разрушению 1 тн, 10 с NF 93810

продукции можно получить, обратившись к специалистам

компании. Более подробная информация представлена на

сайте «Радиант-Элком»: www.radiant.su.

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| УНИКАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ СВЕТОДИОДНЫХ ЛАМП WANBAN | Компания Wanban — профессиональный производитель светотехники,

который специализируется на выпуске светодиодных ламп и систем уличного освещения. В числе несомненных преимуществ продукции

Wanban — уникальный MCOB-корпус (multi-cups/chips on board — многокристальный модуль) и высокая светоотдача — 110 лм/Вт и выше.

Основную продукцию этой компании составляют светодиодные лампы в виде колб, светодиодные трубчатые лампы и светодиодные

модули для уличного освещения. В настоящее время реализуется проект строительства промышленного парка WanBan стоимостью 5

млрд юаней на площади в 100×150 кв. м, где будут работать более 4500 сотрудников.

Серия ламп WanBan была сертифицирована в соответствии с системами управления качеством 3С (обязательная сертификация в

Китае), ISO (9001, 14001) CE, ROHS и TUV. Характеристики ламп Wanban отвечают всем национальным и международным стандартам, в т.ч.

регулирующим вопросы энергосбережения.

www.elcomdesign.ru

116

СТ

АН

ДА

РТ

НЫ

Е Ц

ИФ

РО

ВЫ

Е

МИ

КР

ОС

ХЕ

МЫ

И П

АМ

ЯТ

Ь

WWW.ELCOMDESIGN.RU

В статье рассказывается об особенностях и преимуществах микросхемы

энергонезависимой памяти IN24AA64 информационной емкостью 64 К

(8 К × 8 бит) с плавающим затвором. Микросхема, предназначенная для

работы в системах с I2C-шиной, разработана в НТЦ «Белмикросистемы»

ОАО «Интеграл».

МИКРОСХЕМА ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМОЙ

ПАМЯТИ IN24AA64ВЛАДИМИР БЕЛЫЙ, инженер 1-й категории

ВИКТОР КОЗЛОВСКИЙ, ведущий конструктор

ДЕНИС ТРЕТЬЯК, инженер 1-й категории, филиал НТЦ «Белмикросистемы», ОАО «Интеграл»

Анализ мирового рынка демон-

стрирует рост продаж энергонезави-

симой памяти и изделий на их основе,

появление новых производителей и

применений, расширение номен-

клатуры, улучшение технических

характеристик. Тенденция перехо-

да элементной базы микроэлектро-

ники на 1,8-В стандарт в ряде обла-

стей применения (авто электронике,

встраиваемых контрольных системах

с батарейным питанием и т.д.) тре-

бует снижения рабочего питающе-

го напряжения ЭСППЗУ (электриче-

ски стираемого программируемого

постоянного запоминающего устрой-

ства). Многие мировые производите-

ли (Microchip, Philips, Siemens, Atmel,

National Semiconductor и др.) выпу-

скают широкий ассортимент низко-

вольтных ЭСППЗУ с нижней границей

напряжения питания 1,8 В. Достойным

продолжением этого ряда продукции

стала микросхема IN24AA64, разра-

ботанная в НТЦ «Белмикросистемы»

ОАО «Интеграл».

Микросхема IN24AA64 представляет

собой ЭСППЗУ информационной емко-

стью 64 К (8 К × 8 бит) с плавающим

затвором. IN24AA64 предназначена для

работы в системах с I2C-шиной, состоя-

щей из двух линий: для информацион-

ных сигналов (линия SDA, двунаправ-

ленная) и для тактовых сигналов (линия

SCL). Микросхема относится к классу

полнофункциональных ЭСППЗУ, т.к.

для программирования используется

один внешний источник напряжения

питания 1,7...5,5 В и возможен доступ к

отдельной ячейке памяти.

К о н с т р у к т и в н о м и к р о с х е м а

IN24AA64 выполнена в пластмассо-

вом восьмивыводном DIP-корпусе

MS-001BA и пластмассовом восьмивы-

водном SO-корпусе MS-012АА.

Основные характеристики микро-

схемы:

– маломощная КМОП-технология;

– ток записи: 3 мА;

– ток чтения: 400 мкА;

– статический ток: 1 мкА;

– организация 8 К × 8 бит;

– длительность цикла записи: 5 мс;

– синхронизация циклов стирания

и записи;

– вывод защиты от записи (WP);

– последовательное чтение;

– высокая надежность — 1 млн

циклов стирания/записи;

– гарантированный срок хранения

информации в нормальных условиях:

200 лет;

– защита от статического электри-

чества: >2000 В;

– температурный диапазон работы:

–40...85°С;

– диапазон питания микросхемы

Ucc = 1,7...5,5 В.

Структурная схема IN24AA64 показа-

на на рисунке 1. Цоколевка микросхемы

представлена на рисунке 2, в таблице 1

приведено назначение выводов.

Основой любого запоминающе-

го устройства является накопитель,

представляющий собой матрицу эле-

ментарных ячеек памяти. В описывае-

мом устройстве запоминающий эле-

мент состоит из двух транзисторов.

Адресный n-канальный транзистор

служит для подключения к выбран-

ной разрядной шине. Транзистор с

плавающим затвором осуществляет

непосредственно хранение полезной

информации. Программирование запо-

минающего элемента осуществляется с

помощью туннелирования электронов.

Высокое напряжение, необходимое для

реализации «туннельного» эффекта,

вырабатывается с помощью встроенно-

го в кристалл умножителя напряжения.

Умножитель напряжения рассчи-

тан на работу с высокоомной нагруз-

кой, в качестве которой выступает ток

программирования запоминающей

ячейки на уровне сотен наноампер.

Рис. 1. Структурная схема микросхемы IN24AA64 Рис. 2. Цоколевка микросхемы IN24AA64

Таблица 1. Назначение выводов микросхемы IN24AA64

Обо-зна че-

ние

Вы-вод

Назначение

A0 01 Адресный вход

A1 02 Адресный вход

A2 03 Адресный вход

Uss 04 Общий вывод

SDA 05 Информационная двунаправленная линия

SCL 06 Линия тактового сигнала (вход)

WP 07 Вход «защита записи»

Ucc 08 Положительное напряжение

118

СТ

АН

ДА

РТ

НЫ

Е Ц

ИФ

РО

ВЫ

Е

МИ

КР

ОС

ХЕ

МЫ

И П

АМ

ЯТ

Ь

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Таблица 2. Параметры сигналов на I2C-шине

Обо-зна че-

ниеПараметр

Режим измере-

ния

1,7 ≤ Ucc < 2,5 B Ucc = 2,5…5,5 B Еди-ни ца изме-ренияmin max min max

fSCL Тактовая частота Примечание 1 – 100 – 400 кГц

tBUF

Время, когда шина свободна перед формированием условия «старт»

Примечание 1 4,7 – 1,3 – мкс

tHD, STA Время удержания условия «старт» Примечание 1 4 – 0,6 – мкс

tLOW Период «низкий» тактового сигнала Примечание 1 4,7 – 1,3 – мкс

tHIGH Период «высокий» тактового сигнала Примечание 1 4 – 0,6 – мкс

tSU, STA Время установки для условия «старт» Примечание 1 4,7 – 0,6 – мкс

tHD, DAT

Время удержания данных для под-чиненного передатчика

Примечание 1, 2 0 – 0 – нс

tSU, DAT Время установки данных Примечание 1 250 – 100 – нс

tSP Ширина импульса просечки (SDA, SCL) – 50 – 50 нс

tOF

Фронт выходного сигнала при пере-ключении от Ullmin к UIlmax

IOL = 3 мА,CB < 100 пФ

Примечание 2– 250 20+0,1 CB 250 нс

ТAA Время выборки данных по сигналу SCL Примечание 3 – 3500 – 900 нс

TWC

Длительность цикла записи (байто-вый, страничный режим)

– – 5 – 5 мс

tR

Длительность фронта нарастания (SDA, SCL)

Примечание 1 – 1000 – 300 нс

tF Длительность фронта спада (SDA, SCL) Примечание 1 – 300 – 300 нс

tSU, STO Время установки условия «остановка» Примечание 1 4 – 0,6 – мкс

tHD, WP

Время удержания данных для режи-ма «защита от записи»

Примечание 1 4700 – 1300 – нс

tSU, WP

Время установки данных для режима «защита от записи»

Примечание 1 4000 – 600 – нс

Примечания:1. Параметр не тестируется, но гарантируется установкой временной диаграммы при ФК.2. CB — общая емкость шины.3. Как передатчик, микросхема должна обеспечивать внутреннюю минимальную задержку, требуемую для шунтирова-ния неопределенной области спада сигнала SCL (не менее 300 нс), исключающую случайную генерацию условий «старт» или «стоп».

Рис. 3. Операционные состояния I2С-шины

На кристалле отсутствуют специаль-

ные схемы ограничения напряжения.

Величина высокого напряжения зави-

сит от качества и параметров техно-

логического процесса изготовления

микросхемы.

Входной фильтр обеспечивает не

только обработку сигналов по вхо-

дам SCL и SDA (необходимые поляр-

ность, амплитуда и длительность), но

и значительно повышает помехоза-

щищенность. Антидребезговая схема

позволяет не принимать во внимание

паразитные воздействия по входам SCL

и SDA длительностью до 50 нс во время

подачи полезного сигнала.

Взаимодействие всех блоков и узлов

микросхемы, выбор режимов работы

обеспечивают блоки управления I2C-

шиной и стиранием/записью. В этом им

помогают внутренний тактовый гене-

ратор и таймер, которые определяют

временные интервалы воздействия

высокого напряжения, вырабатывае-

мого встроенным умножителем.

ПРОТОКОЛ I2C-ШИНЫ

I2С-шина — двунаправленная двух-

проводная последовательная шина,

предназначенная для передачи

информации между различными инте-

гральными схемами. Она состоит из

информационной линии (SDA) и линии

тактовых сигналов (SCL). В общем слу-

чае обе линии должны быть соеди-

нены с положительным источником

питания через заряжающий резистор

(выходной каскад с открытым стоком/

коллектором). Применительно к раз-

работанному изделию двунаправлен-

ной является только линия SDA (вход/

выход), и заряжающий резистор на

линии SCL не обязателен. Номинал

резистора ограничивается снизу нагру-

зочной способностью микросхемы

(IOL = 3,0 мА), а сверху — длительностью

фронта нарастания (tR = 1,0 мкс).

Микросхема устойчиво работает в

диапазоне сопротивлений 1,8...10 кОм.

Данная шина позволяет работать с

несколькими управляющими прибора-

ми. Максимальная длина шины опре-

деляется максимальной возбуждаю-

щей способностью шинных приборов

(≤100 пФ). На I2С-шине нет фиксированной

скорости передачи данных. Скорость

шины автоматически под страивается

под быстродействие возможных управ-

ляющих приборов и может изменяться в

пределах 0...400 Кбит/с. Возможные опе-

рационные состояния I2С-шины пока-

заны на рисунке 3; на рисунке 4 при-

ведена временная диаграмма I2С-шины.

Параметры сигналов I2С-шины отраже-

ны в таблице 2.

Определены следующие состояния

I2С-шины:

– шина свободна (не занята) — обе

линии находятся в «высоком» состоянии;

– начало передачи (условие

«старт») — переход линии SDA от высо-

кого уровня к низкому при нахождении

линии SCL в «высоком» состоянии;

– передача информации;

– конец передачи (условие «оста-

новка») — переход линии SDA от низ-

кого уровня к высокому, в то время

как линия SCL находится в «высоком»

состоянии.

Передача данных может начаться,

только когда шина свободна. Во время

передачи данных информационная

линия должна оставаться стабильной

все время, пока тактовая линия высо-

кая. Состояние линии SDA может изме-

Рис. 4. Временная диаграмма I2С-шины

120

СТ

АН

ДА

РТ

НЫ

Е Ц

ИФ

РО

ВЫ

Е

МИ

КР

ОС

ХЕ

МЫ

И П

АМ

ЯТ

Ь

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Таблица 4. Управляющие обозначения I2C-шины

Обо зна-че ния

Наименование

ST Условие «старт»

SP Условие «остановка»

As Бит подтверждения от микросхемы

Am Бит подтверждения от главного приемника

X0—X11 Биты адреса байта

D0—D7 Биты данных

ST CS/WR As WA As ST CS/RD As DA Am DA Am SP

n-байтов последний байт

↑Автоматическое приращение адреса

считываемого слова

ST CS/WR As WA1 As WA2 As DE As SP

↑Автоматическое приращение адреса

считываемого слова

ST CS/RD As DA Am DA Am SP

n-байтов последний байт

↑Автоматическое приращение адреса

считываемого слова

Рис. 5. Протокол I2С-шины в режиме «чтение» с вводом адреса слова

Рис. 6. Сокращенный протокол I2С-шины в режиме «чтение»

Рис. 7. Протокол I2С-шины в режиме «стирание/запись» байта

няться только тогда, когда линия такто-

вых сигналов SCL находится в «низком»

состоянии. Один тактовый сигнал

приходится на один бит информации.

Изменение состояния линии SDA в то

время, когда тактовая линия высокая,

будет интерпретировано как контроль-

ные сигналы: «старт» или «остановка».

Каждая передача данных начина-

ется с условия «старт» и завершается

условием «остановка». Информация

всегда передается в байтоорганизо-

ванной форме. Число байтов информа-

ции, передаваемых между условиями

«старт» и «остановка», ограничено в

режиме «стирание/запись» и не ограни-

чено в режиме «чтение». Каждое слово

из 8 бит (каждый байт) сопровождается

проверочным девятым битом, битом

подтверждения. Данный бит на линии

SDA всегда вырабатывается устрой-

ством, принявшим предшествующий

байт информации (т.е. приемником).

Устройство, подтверждающее при-

ем информации (в случае соответ-

ствия ее предъявляемым требова-

ниям), разряжает линию SDA таким

об разом, что данная линия остается

по стоянно низкой в течение всего

периода действия высокого уровня

тактового импульса подтверждения

(9-й бит) на линии SCL.

Устройство, передающее инфор-

мацию, во время формирования

подтверждения должно принимать

состояние с высоким выходным сопро-

тивлением. В случае несоответствия

принятого байта информации предъ-

явленным требованиям, принимаю-

щее устройство не вырабатывает под-

тверждения, что указывает на ошибку

в формировании протокола обмена на

I2С-шине.

Все приборы, подключенные к I2С-

шине, можно подразделить на две

группы: главные — приборы, которые

контролируют передачу данных по

шине (микроконтроллеры, микропро-

цессоры), и подчиненные — приборы,

которые подчиняются управлению со

стороны главных (сервисные и перифе-

рийные устройства). Обе группы прибо-

Таблица 3. Управляющие слова I2C-шины

Обо-зна-

че ние слова

Номер бита словаНазна чение

9-й бит (бит подтверж-

дения после слова)01 02 03 04 05 06 07 08

CS/WR 1 0 1 0 A2 A1 A0 0Слово выбора кристалла для записи инфор-мации в микросхему

«0», подтверждение от ИС

CS/RD 1 0 1 0 A2 A1 A0 1Слово выбора кристалла для чтения данных из микросхемы

«0», подтверждение от ИС

WA1 X7 X6 X5 X4 X3 X2 X1 X01-е слово адреса байта, к которому обра-щаются

«0», подтверждение от ИС

WA2 X X X X X12 X11 X10 X92-е слово адреса байта, к которому обраща-ются (X- незначащие биты)

«0», подтверждение от ИС

DE D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Слово данных для записи в ЭСППЗУ«0», подтверждение от ИС

DA D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Слово данных, считываемое из ЭСППЗУ«0» или «1» от «главного»

ров могут, в свою очередь, выступать в

роли приемников (устройств, принима-

ющих в данный момент информацию)

и передатчиков (устройств, передаю-

щих данные на шину). Разработанная

микросхема IN24AA64 может быть толь-

ко подчиненным приемником или под-

чиненным передатчиком.

Особенностью протоколов в режи-

ме «чтение» (см. рис. 5, 6) является

изменение направления передачи

информации по линии SDA: до окон-

чания управляющего слова CS/RD

микросхема принимает информацию,

а после происходит передача (считы-

вание) данных. Один раз задав прото-

кол, можно последовательно считать

неограниченное число байтов данных.

После считывания каждого байта вну-

трикристальный счетчик адреса авто-

матически приращивается на едини-

цу при получении подтверждения от

главного приемника (Аm = 0). Сразу

после отрицательного фронта такто-

вого импульса подтверждения (в слу-

чае если As или Аm = 0) выход микро-

схемы является низкоимпедансным, и

на линии SDA устанавливается первый

бит считываемого байта информации.

В случае передачи микросхемой

(подчиненный передатчик) последнего

байта главный приемник должен выдать

не сигнал, подтверждающий прием, а

передать подчиненному передатчику

информацию об окончании приема

(Am = 1). В этом случае после отрица-

тельного фронта тактового импульса

подтверждения выход микросхемы

переводится в состояние с высоким

выходным сопротивлением (закрыва-

ется), на линии SDA устанавливается

высокий уровень, разрешающий глав-

ному приемнику выработать условие

«остановка». Управляющие слова и обо-

значения, а также их описания приве-

дены в таблицах 3 и 4 соответственно.

Необходимо различать два основ-

ных режима записи: побайтовая запись

и страничная запись (см. рис. 7, 8). В

первом случае после принятия адреса

ST CS/WR As WA1 As WA2 As DE As DE As DE As SP

Автоматическое приращение адреса

считываемого слова

1-йбайт

2-йбайт

32-йбайт (последний)

↑ ↑ ↑

Рис. 8. Протокол I2C-шины в режиме «стирание/запись» страницы

СТ

АН

ДА

РТ

НЫ

Е Ц

ИФ

РО

ВЫ

Е

МИ

КР

ОС

ХЕ

МЫ

И П

АМ

ЯТ

Ь

121

Электронные компоненты №3 2011

слова микросхема выдает подтверждение, принимает после-

дующие 8 бит данных (1 байт) и снова выдает подтверждение.

При этом адрес слова автоматически приращивается. После

этого главный передатчик прерывает передачу посредством

формирования условия «остановка». После этого стартует

активный процесс перепрограммирования, и последова-

тельная шина свободна для другой передачи. Если микросхе-

ма IN24AA64 адресуется через I2C-шину во время программи-

рования, то она не выдает бит подтверждения.

Страничный режим записи инициируется таким же обра-

зом, как и операция записи байта. Только во время одной

передачи главный прибор передает 32 байта данных. После

приема каждого байта данных четыре младшие разряда

адреса слова внутренне приращиваются. Старшие разряды

адреса слова остаются неизменными. Микросхема IN24AA64

подтверждает прием каждого байта данных формированием

бита подтверждения. Передача по шине прерывается глав-

ным прибором посредством условия «остановка» после 8-го

бита данных.

Запись в микросхему выполняется, если вывод WP нахо-

дится в «низком» состоянии. Если вывод WP — высокий,

то накопитель ЭСППЗУ защищен от не желательной запи-

си. Программирование микросхемы может осуществляться

только под внут ри кристальным управлением (используется

внутренний задающий тактовый генератор программирова-

ния). Длительность цикла «стирание/запись» в обоих режи-

мах записи (побайтовый и страничный) менее 5 мс.

Слово выбора кристалла состоит из нескольких частей

(см. табл. 3):

– биты 01—04 представляют собой жестко определен-

ную комбинацию, «зашитую» внутри кристалла, и идентифи-

цируют тип прибора;

– биты 05—07 соответствуют состоянию адресных вхо-

дов А0—А2;

– восьмой бит определяет направление последующей

передачи («0» — запись информации в микросхему, «1» —

считывание данных из микросхемы).

Необходимо отметить, что при работе с большинством

управляющих слов разработанная микросхема выступает в

СОБЫТИЯ РЫНКА

| НОВЫЕ МОДУЛИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ОТ «АЛЕКСАНДЕР ЭЛЕКТРИК» | Компания

«Александер Электрик источники электропитания» приступила к выпуску модулей

электропитания серии МАА мощностью от 900 Вт и выше в корпусах типа СТН. При

сохранении защитных свойств, аналогичных свойствам корпуса типа CКН, новый

цельнометаллический корпус СТН обеспечивает уменьшение высоты модуля, сниже-

ние его веса и улучшение теплотехнических характеристик.

Модули серии МАА, предназначенные для использования в сетях переменного

тока с однофазным и трехфазным напряжением, выпускаются с приемкой «5» и «ОТК».

www.aeip.ru

качестве подчиненного приемника и, соответственно, отве-

чает за выдачу подтверждения. Лишь при считывании дан-

ных из микросхемы (подчиненного передатчика) подтверж-

дение выдает внешнее управляющее устройство (главный

приемник).

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| СОЗДАНЫ ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА КРИСТАЛЛЕ | Топливные элементы на кристалле могут заменить небольшие бата-

реи — так считает группа исследователей под руководством Шрирамы Раманатаны из Гарвардского университета, продемон-

стрировавшая подложку со 145 твердооксидными топливными элементами. Состоятельность идеи создания тонкопленочных

мембран для твердооксидных топливных элементов была доказана еще раньше. Однако размеры этих элементов были слиш-

ком малы для замены небольших батарей. Теперь же гарвардские ученые совместно с компанией SiEnergy Systems показали,

что эта технология успешно масштабируется.

Исследователи установили крошечные топливные элементы с мембранами толщиной 100 нм на кристаллы, ширина

которых увеличилась со 100 мкм до 5 мм, за счет чего плотность мощности составила 155 мВт/кв.см (при 510°С). Теперь

планируется создание наноструктурных анодов и микроэлектродов для водородных топливных элементов, способных

заменить небольшие батареи.

Проект финансируется фондом National Science Foundation (NSF) и центром Harvard University Center for Nanoscale Systems.

www.elcomdesign.ru

122

ТЕ

ОР

ИЯ

И П

РА

КТ

ИК

А

WWW.ELCOMDESIGN.RU

В статье рассматриваются эффективные методы повышения надежно-

сти MOSFET в обратноходовых преобразователях.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СНАББЕРНЫХ СХЕМПОЛ ЛЭЙСИ (PAUL LACEY), инженер по применению, Power Integrations

Принцип работы обратноходовых

преобразователей основан на нако-

плении энергии в трансформаторе при

открытом состоянии силового ключа с

последующей передачей этой энергии

на выход устройства во время закры-

того состояния ключа. Обратноходовой

трансформатор состоит из двух или

более взаимосвязанных обмоток на

сердечнике с воздушным зазором, в

котором и хранится магнитная энергия

до тех пор, пока она не будет передана

во вторичную цепь. На практике никог-

да не удается добиться идеального

коэффициента связи между обмотками,

поэтому не вся энергия проходит через

этот воздушный зазор.

Небольшое количество энергии

накапливается внутри и между обмот-

ками. Это явление называется индук-

тивностью рассеяния трансформатора.

При открытии ключа энергия, нако-

пленная в индуктивности рассеяния, не

передается во вторичную обмотку, при-

водя к возникновению высоковольтных

всплесков в первичной обмотке транс-

форматора и в ключе. Кроме того, эта

энергия вызывает высокочастотный

колебательный процесс в контуре,

состоящем из эффективной емкости

открытого ключа, индуктивности пер-

вичной обмотки и индуктивности рас-

сеяния трансформатора (см. рис. 1).

Если пиковое напряжение всплеска

Рис. 1. Переходные процессы в стоке транзистора, вызванные индуктивностью рассеяния трансформатора

превысит напряжение пробоя пере-

ключающего элемента, чаще всего,

силового транзистора MOSFET, это при-

ведет к выходу из строя всего устрой-

ства. Более того, колебания высокой

амплитуды на стоке транзистора вызы-

вают сильные электромагнитные поме-

хи. В источниках питания мощностью

выше 2 Вт для ограничения всплесков

напряжения на MOSFET используются

ограничительные (снабберные) схемы,

которые позволяют рассеивать энер-

гию, накопленную в индуктивности рас-

сеяния.

ПРИНЦИП РАБОТЫ

СНАББЕРНОЙ СХЕМЫ

Снабберная схема используется для

ограничения максимального напряже-

ния на MOSFET до заданного значе-

ния. Как только напряжение на MOSFET

достигает порогового значения, вся

дополнительная энергия рассеяния

перенаправляется в снабберную схему,

где она либо накапливается и медлен-

но рассеивается, либо возвращается

в преобразователь. Одним из недо-

статков ограничительных схем явля-

ется то, что они рассеивают энергию,

снижая эффективность. В связи с этим

существует несколько типов ограничи-

тельных схем (см. рис. 2). В некоторых

из них используются стабилитроны

(диоды Зенера), позволяющие снизить

потребление мощности. Однако из-за

резкого включения стабилитронов в

таких схемах часто возникают электро-

магнитные помехи. Ограничительные

схемы RCD обеспечивают хороший

баланс между эффективностью, генера-

цией электромагнитных помех и стои-

мостью и потому получили наибольшее

распространение.

Ограничительная схема RCD работа-

ет следующим образом. Сразу же после

закрытия MOSFET диод во вторичной

цепи остается обратно смещенным, и

ток намагничивания заряжает емкость

стока (см. рис. 3а). Когда напряжение в

первичной обмотке достигает величи-

ны выходного отраженного напряже-

ния VOR, определяемого соотношением

витков трансформатора, открывается

диод во вторичной цепи, и энергия

намагничивания передается во вто-

ричную обмотку. Энергия рассеяния

продолжает заряжать трансформатор

и емкость стока до тех пор, пока напря-

жение в первичной обмотке не станет

равным напряжению на конденсаторе

ограничительной схемы (см. рис. 3б).

В этот момент открывается бло-

кирующий диод, и энергия рассея-

ния направляется через конденсатор

ограничительной схемы (см. рис. 4а).

Протекающий через конденсатор ток

заряда ограничивает пиковое напряже-

ние на стоке транзистора до величины

VIN(MAX) + VC(MAX). После того как энер-

гия рассеяния полностью передана,

блокирующий диод запирается, а кон-

денсатор ограничительной схемы до

начала следующего цикла разряжается

через резистор этой же схемы (см. рис.

4б). Последовательно с блокирующим

диодом часто ставят дополнительный

небольшой резистор, предназначенный

для подавления любых колебательных

процессов, возникающих в контуре из

индуктивности трансформатора и кон-

денсатора ограничительной схемы в

конце цикла заряда. На рисунке 5 пока-

заны циклические пульсации напря-

жения VDELTA, наблюдаемые в ограни-

чительной схеме, амплитуда которых

определяется величиной конденсатора

и резистора, стоящих параллельно друг

другу.

Принцип работы ограничительной

схемы RCDZ аналогичен принципу рабо-

ты RCD-схемы, за исключением того, что

рассеиваемая энергия делится между

стабилитроном и стоящим последова-

ТЕ

ОР

ИЯ

И П

РА

КТ

ИК

А

123

Электронные компоненты №3 2011

Рис. 2. Типы ограничительных схем

Рис. 3. Первичная цепь ограничительной схемы

Рис. 3. Первичная цепь ограничительной схемы

VIN

VDRAIN < VOUT + VIN

V0RC CC

C0

L

DRAIN

+

+

–

–

+

–

+–

+

–

124

ТЕ

ОР

ИЯ

И П

РА

КТ

ИК

А

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Рис. 5. Измерение напряжения в ограничительной схеме RCD

тельно с ним резистором (см. рис. 2).

Стабилитрон предотвращает конден-

сатор от разряда ниже уровня блоки-

рующего напряжения стабилитрона,

что ограничивает рассеяние мощности

и улучшает эффективность, особенно

при небольших нагрузках. Схема ZD

обеспечивает жесткое ограничение

напряжения на MOSFET, определяемое

величиной блокирующего напряжения

стабилитрона. И, наконец, ограничи-

тельная схема RCD+Z работает, как и

RCD-схема, но введение в нее стаби-

литрона обеспечивает безопасное

ограничение напряжения на MOSFET

во время переходных процессов. Как и

RCD-схема, она характеризуется пони-

женной генерацией электромагнитных

помех во время нормального режима.

При разработке ограничительных

схем необходимо учитывать параме-

тры как трансформатора, так и MOSFET.

Если минимальное ограничивающее

напряжение ниже VOR трансформато-

ра, ограничительная схема работает

как нагрузка. При этом теряется боль-

шее количество энергии, чем при рас-

сеивании, что снижает эффективность.

При выборе компонентов ограничи-

тельной схемы меньших размеров,

чем требуется, они перегреваются, не

справляются с опасными напряжения-

ми и генерируют электромагнитные

помехи. Необходимо, чтобы ограни-

чительная схема обеспечивала защиту

MOSFET от любых всплесков входного

напряжения питания, тока нагрузки и

учитывала допуски на компоненты.

Компания Power Integrations опубли-

ковала руководство по проектирова-

нию ограничительных схем Clamp Sizing

Design Guide (PI-DG-101), в котором

приведена поэтапная последователь-

ность подбора компонентов для четы-

рех основных типов ограничительных

схем, применяемых в обратноходовых

источниках питания. Это руководство

предназначено для использования

совместно с программным пакетом PI

Expertä. Данная интерактивная про-

грамма автоматически подбирает на

основе параметров источника питания

пользователя все компоненты (вклю-

чая характеристики трансформатора),

необходимые для генерации требуемо-

го рабочего напряжения импульсного

источника питания. PI Expertä автомати-

чески создает ограничительную схему,

которая, впрочем, слегка отличается от

схемы, спроектированной по алгоритму

из упомянутого руководства.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ

ОГРАНИЧИТЕЛЬНОЙ СХЕМЫ RCD

Ниже приведена последователь-

ность шагов при проектировании огра-

ничительной схемы RCD (подробнее

см. руководство Clamp Sizing Design

Guide). Все перечисленные ниже зна-

чения, не измеренные и не определен-

ные пользователем, следует искать в

таблице результатов проектирования

PI Expert.

Измерьте L1. L — индуктивность рас-

сеяния первичной цепи трансфор-

матора.

Проверьте f2. s — частоту переключе-

ния источника питания.

Определите I3. p — точное значение

тока в первичной цепи.

Определите полное напряжение в 4.

первичной цепи MOSFET и рассчи-

тайте Vmaxclamp при помощи следую-

щего выражения:

(Примечание: предусмотрите для

MOSFET запас, по крайней мере, в

50 В ниже уровня BVDSS, а дополни-

тельно к нему — запас в 30–50 В на

всплески напряжения при переход-

ных процессах).

Определите V5. delta — амплитуду пуль-

саций в ограничительной схеме.

Рассчитайте минимальное напряже-6.

ние в ограничительной схеме:

Рассчитайте среднее напряжение в 7.

ограничительной схеме:

Рассчитайте энергию, накопленную 8.

в индуктивности рассеяния:

Оцените E9. clamp — энергию, рассеи-

ваемую в ограничительной схеме:

Рассчитайте величину резистора в 10.

ограничительной схеме:

Расчетная мощность резистора в 11.

ограничительной схеме должна

быть больше, чем:

Рассчитайте емкость конденсатора в 12.

ограничительной схеме:

Расчетное напряжение на кон-13.

денсаторе в ограничительной

схеме должно быть больше, чем

1,5Vmaxclamp.

В качестве блокирующего диода в 14.

ограничительной схеме необходимо

использовать диод с коротким или

очень коротким временем восста-

новления.

Пиковое обратное напряжение 15.

блокирующего диода должно быть

больше, чем 1,5Vmaxclamp.

Расчетный пиковый ток прямого 16.

смещения должен быть больше IP.

Если этот параметр не перечислен в

таблице данных, средний расчетный

ток прямого смещения должен быть

больше 0,5IP.

Величина демпфирующего резисто-17.

ра (если он используется) выбирает-

ся из соотношения:

ТЕ

ОР

ИЯ

И П

РА

КТ

ИК

А

125

Электронные компоненты №3 2011

Расчетная мощность демпфирующего резистора должна 18.

быть больше, чем

.

После проведения первоначальных расчетов для про-

верки рабочих характеристик источника питания необ-

ходимо сконструировать прототип такого устройства,

поскольку индуктивность рассеяния трансформатора

может значительно меняться в зависимости от техники

намотки. В некоторых случаях следует измерить среднее

напряжение Vclamp и сравнить его с рассчитанным в п. 7

значением (см. рис. 5). В случае существенных различий

этих значений можно произвести корректировку Rclamp.

Если полученные результаты существенно отличаются от

ожидаемых, расчет следует повторить с использованием

уточненных данных.

Для расчета параметров ограничительных схем других

типов используют аналогичную последовательность шагов,

добавляя шаги для каждого нового элемента. Следует быть

очень внимательными при выборе диодов и стабилитро-

нов — у них должна быть соответствующая мощность. Почти

во всех случаях применения стабилитронов для обеспече-

ния требуемой пиковой мгновенной мощности необходимо

использовать цепи подавления всплесков напряжений при

переходных процессах.

Расчетная мощность компонентов проверяется методом

измерения температур корпусов компонентов в то время,

когда источник питания работает на полную нагрузку при

минимальном входном напряжении. Если рабочая темпера-

тура какого-либо компонента схемы выходит за установлен-

ные производителем пределы, компонент следует заменить,

а схему необходимо тщательно проверить.

СОБЫТИЯ РЫНКА

| TEXAS INSTRUMENTS ПРИОБРЕТАЕТ NATIONAL SEMICONDUCTOR ЗА 6,5 МЛРД ДОЛЛ. | National Semicon duc tor (NS) будет пре-

образована в подразделение Texas Instruments (TI), специализирующееся на полупроводниках. Поглощение объединит двух про-

мышленных лидеров в аналоговых решениях. Обе компании будут работать независимо, ожидая окончания сделки, на которую

потребуется 6–9 мес.

Texas Instruments является четвертым в мире производителем полупроводниковых приборов, уступая лишь Intel, Sumsung

и Toshiba. TI занимает первое место по производству микросхем для мобильных устройств, а также лидирует в производстве

цифровых сигнальных процессоров и аналоговых полупроводников.

Что означает эта сделка для заказчиков?

Единая номенклатура аналоговой продукции — 42 тыс. наименований изделий с широким диапазоном параметров для �любой электронной системы, а также общий набор интерактивных инструментов, упрощающий выбор компонентов и про-

ектирование.

Больший, чем у любой другой отраслевой компании, отдел продаж. Объединение отделов продаж общей численностью �более 2500 сотрудников в 10 раз превышает нынешний штат отдела сбыта компании NS. Новое подразделение обеспечит

полноценную индивидуальную поддержку клиентов.

Производственные мощности, отвечающие растущему спросу заказчиков. Недавно запущенные мощности TI, в т.ч. пер- �вой в индустрии 300-мм аналоговой фабрики, совместно с производственными площадями NS позволят увеличить объемы

выпуска продукции, пользующейся повышенным спросом.

Плавный переход к объединенной структуре c учетом интересов заказчиков. TI будет работать на фабриках NS, про- �должит выпускать ее продукцию под теми же серийными номерами. Перспективные планы развития продукции останутся

прежними.

www.elcomdesign.ru

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| ИССЛЕДОВАТЕЛИ СОЗДАЮТ MEMS-ПАМЯТЬ НА УГЛЕРОДНЫХ ТРУБКАХ | Совместное использование MEMS-консоли и тран-

зистора из углеродных нанотрубок позволит создать энергонезависимую память. Инженеры создали устройство, энергопотре-

бление которого меньше, чем у стандартной памяти. Прежние попытки использования транзисторов на углеродных нанотрубках

в запоминающих устройствах сталкивались с ограничениями на быстродействие и время хранения. Однако коллективу инже-

неров из Эдинбургского университета удалось улучшить эти параметры за счет механической консоли, позволяющей заряжать

электрод плавающего затвора.

Консоль шириной в 1 мкм и длиной более 10 мкм нависает над электродом и плавающим затвором. При подаче на элек-

трод напряжения смещения электростатическая сила вынуждает консоль соприкасаться с плавающим затвором. Консоль

состоит из тройного слоя Cr/Al/Cr, а затвор — из слоя золота на 80-нм изолирующем основании из оксида алюминия.

Заряд на плавающем затворе управляет током истока-стока полупроводникового канала р-типа из углеродных нанотрубок. У

такого вида памяти имеется способность к хранению больших объемов данных. Рабочая скорость этого устройства ограничена

лишь скоростью переключения консоли, которая намного превосходит скорость флэш-памяти. При этом исследователи ничего

не сообщают о размерах, плотности и масштабируемости новой конструкции запоминающего устройства. Теоретически, транзи-

стор из углеродных нанотрубок хорошо масштабируется, чего нельзя сказать о MEMS-консолях.

www.elcomdesign.ru

127

Электронные компоненты №3 2011

Новые компоненты на российском рынке

АЦП/ЦАП

Первый интегрированный аналоговый интерфейс от Analog Devices для разработки диагностических систем ЭКГ

Компания Analog Devices представила ADAS1000 — пер-вую микросхему прецизионного аналогового входного интерфейса систем ЭКГ с функциями детектирования импульсов кардиостимулятора и измерения дыхательной активности, предназначенная для применения в аппаратах ЭКГ с питанием от сети или аккумуляторов.

ADAS1000 упрощает проектирование пятиэлектродных систем ЭКГ за счет значительного сокращения требуемого числа компонентов в сигнальном тракте: одна микросхема ADAS1000 и небольшое количество дискретных элементов могут заменить до пятидесяти компонентов.

Устройство может быть сконфигурировано с учетом требований к оптимизации шумовых характеристик, потре-бляемой мощности или скорости обновления данных, что позволяет использовать его в домашних, амбулаторных и клинических системах ЭКГ.

Основные технические характеристики.– Реализация канала со связью по постоянному току,

которая упрощает переключение входов, повышает гиб-кость, снижает энергопотребление и дает явные преимуще-ства при постобработке сигналов.

– Работает в режиме измерения ЭКГ с пятью электрода-ми, потребляя всего 19 мВт; любые незадействованные кана-лы или функциональные блоки могут быть отключены для дальнейшей минимизации потребляемой мощности вплоть до 11 мВт при использовании одного провода.

– Низкий уровень шума (полный размах шумов 10 мкВ в диапазоне 0,05…150 Гц).

– Поддержка нескольких значений частоты кадров дан-ных (2 кГц, 16 кГц, 128 кГц).

– Диапазон рабочих температур: –40…85°С.– Тип корпуса: 64-LQFP и 56-LFCSP.Analog Devices Inc.

www.analog.com/ru

Дополнительная информация:Представительство Analog Devices Inc.

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Модули Sierra Wireless теперь поддержива-ют Java

Компания Sierra Wireless представи-ла новый инструмент — библиотеку WirelessIDEA. В плагине WielessIDEA реали-зована виртуальная Java-машина. Это позво-ляет вести разработку на популярном языке программирования Java со всеми возможно-

стями данного языка: – обработка исключительных ситуаций;– автоматическое управление памятью; – многопоточность приложений; – простота создания HTTP-запросов;

– наборы стандартных коллекций, массивов, строк. При этом разработчику дается возможность для

параллельного ведения проекта на Java/C. Библиотека WielessIDEA является разработкой компанией Aplix Corporation, партнера SierraWireless.

Основными особенностями библиотеки являются сле-дующие.

– Возможность написания приложений на языке про-граммирования Java.

– Плагин WielessIDEA устанавливается как дополнитель-ная библиотека в студию разработки Developer Studio.

– Относительно небольшой размер требуемой памяти: 150…200 Кбайт.

– Готовые приложения можно устанавливать и обнов-лять через Сервисы интеллектуальных устройств — Air Vantage.

Плагин WielesssIDEA можно уже сейчас установить как дополнительный плагин в Developer Studio и ознакомиться с возможностями библиотеки. При создании и ведении про-екта разработчик полноценно работает на языке Java. После сборки и компиляции получается исполняемый файл .dwl, включающий в себя пользовательское приложение и вир-туальную машину. Этот файл загружается на беспроводной модуль для исполнения команд.

С помощью библиотеки предоставляется доступ к пор-там ввода-вывода, файловой системе, сетевым ресурсам, http-сервису, SMS-сервису, интерфейсу АТ-команд.

Библиотека WielesssIDEA доступна для беспроводных модулей AirPrime и Airlink на основе операционной системы Open AT.

Sierra Wireless

www.sierrawireless.com

Дополнительная информация:см. «Элтех», ООО

ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Новые мощные XPT IGBT-транзисторы от IXYS

Компания IXYS начала про-изводство новых XPT (extreme light punch through) IGBT-тран-зисторов с номинальными токами 100…210 А при темпе-ратуре 25°С.

Новые IGBT-транзисторы отличаются следующими харак-теристиками:

– напряжение насыщения (Vcesat) — до 1,8 В;– низкое время спада тока (tfi ) — до 42 нс;– малая энергия выключения (Eoff ) — до 0,48 мДж. Транзисторы имеют прямоугольную безопасную рабочую

зону обратного смещения (RBSOA) и расширенную безопас-ную рабочую зону прямого смещения (FBSOA), что положи-тельно сказывается на надежности их работы.

Новые XPT IGBT-транзисторы производятся в двух модификациях, которые различаются диапазоном рабо-чей частоты. Модификация B3 оптимизирована для работы на частотах 10…30 кГц, а модификация C3 — на частотах 20…60 кГц. Кроме того, имеются модифи-кации с встроенным антипараллельными быстрыми диодами серии Sonic-FRDTM (индекс H1, например IXXK100N60C3H1) и серии HiPerFREDTM (индекс D1, напри-мер IXXH50N60C3D1). Следует отметить их повышенную рабочую температуру (до 175°С) и положительный тем-пературный коэффициент напряжения насыщения. Это позволяет без проблем применять параллельное подклю-

128

WWW.ELCOMDESIGN.RU

чение нескольких XPT-транзисторов для того, чтобы обе-спечить нужную мощность.

Краткие характеристики новых XPT IGBT представлены в таблице.

Тип

VCES

, В

IC25

Tc

= 2

5°C,

A

IC11

0 Tc

= 1

10°C

, А

Vces

at (m

ax),

В

Tfi (

typ)

, нс

Еoff

(typ

) TJ =

125

°C,

мД

ж

Rth

JC (m

ax),

°C/В

т

Кон ф

и гу р

а ция

Корпус

IXXH100N60B3 600 210 100 1,8 150 2,80 0,18 Одиночный TO-247

IXXK100N60B3H1 600 190100

(90°C)1,8 150 2,80 0,18

Встроенный Sonic-FRD-диод

TO-264

IXXH50N60C3 600 100 50 2,3 42 0,48 0,25 Одиночный TO-247

IXXH50N60C3D1 600 100 50 2,3 42 0,48 0,25Встроенный HiPerFRED-диод

TO-247

IXXH100N60C3 600 190 100 2,2 75 1,40 0,18 Одиночный TO-247

IXXK100N60C3H1 600 170100

(90°C)2,2 75 1,40 0,18

Встроенный Sonic-FRD-диод

TO-264

IXYS

www.ixys.com

Дополнительная информация:см. «Элтех», ООО

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

Новейшая платформа электромагнитного 3D-моделирования от Agilent Technologies

Компания Agilent Technologies предста-

вила САПР Electromagnetic Professional (EMPro) 2011.02 — новую версию своей платформы электромагнитного 3D-моделирования и анализа электрических характери-стик корпусированных ИС, разъемов, антенн и других ВЧ-компонентов.

Платформа EMPro легко интегрируется в среду проек-тирования Agilent Advanced Design System для разработки ВЧ- и высокоскоростных схем, модулей и печатных плат. В новой версии существенно повышена скорость и точность моделирования ВЧ-компонентов.

Система EMPro 2011.02 позволяет использовать новые технологии разбиения объекта на сетку при расчете во вре-менной (FDTD) и в частотной областях (FEM). Разбиение на сетку является первым шагом в процессе электромагнитно-го моделирования, когда 3D-модель разбивают на крошеч-ные ячейки сетки.

Для симулятора, использующего метод конечных разно-стей во временной области, в EMPro 2011.02 добавлен новый вариант сетки (Conformal Mesh), который создает ячейку сетки, более точно соответствующую изогнутым поверхно-стям и не ортогональным ребрам. Используя эту технологию, инженеры могут теперь получать более точные результаты при меньшем количестве необходимых ячеек сетки, а также сократить занимаемый объем памяти и время моделирова-ния.

Для симулятора, использующего метод конечных раз-ностей в частотной области, в EMPro 2011.02 добавлены несколько новых вариантов разбиения на сетку, позволяю-щих разработчикам более точно задать желаемую структуру сетки с помощью ребер, граней и вершин. Дополнительные варианты нанесения сетки улучшают точность моделирова-ния во всем диапазоне рабочих частот устройства.

Получить дополнительную информацию и скачать систе-му проектирования EMPro 2011.02 можно с сайта по адресу www.agilent.com/fi nd/eesof-empro2011.

Agilent Technologies Inc.

www.agilent.ru

Дополнительная информация:см. Agilent Technologies Inc.

Современные анализато-ры фазовых шумов и девиации Аллана (ADEV) от Symmetricom

Являясь официальным представителем ком-пании Symmetricom на территории России, ОАО

«Морион» (Санкт-Петербург) представляет современные ана-лизаторы фазовых шумов и девиации Аллана (ADEV) компании Symmetricom (ранее Timing Solutions) — 5115A, 5120А и 5125А. Эти приборы позволяют потребителю быстро и просто осущест-влять точные измерения в диапазоне частот 1…400 МГц.

Данные анализаторы позволяют избежать сложностей, связанных с калибровкой, и обеспечивают единое простое решение для оценки самых малошумящих опорных источ-ников с высокой точностью.

Ключевые характеристики анализаторов фазовых шумов и девиации Аллана (ADEV) компании Symmetricom представ-лены в таблице.

Модель анализатора 5115A 5120A 5125A

Диапазон частот, МГц 1…30 1…30 1…400

Возможность одновременного измерения фа зо вых шумов и девиации Аллана в реальном времени

да да да

Возможность использования в качестве частотомера да да да

Предельное значение девиации Аллана (для 1 с) 1·10–14 1·10–15 1·10–15

Уровень фазовых шумов для 10 МГц при отстройке, дБ/Гц

1 Гц –133 –145 –145

10 кГц –147 –175 –175

Уровень фазовых шумов для 100 МГц при отстройке, дБ/Гц

1 Гц - - –130

10 кГц - - –170

Возможные опции улучшения до 5120AВнутренний опор-ный генератор

Наличие сертификата об утверждении типа средств измерений

да да да

Основным преимуществом данных приборов является конкурентоспособная цена при высокой точности и повто-ряемости измерений, а также возможность автоматизации процесса измерения.

Дополнительная информация об анализаторах Symmetricom представлена на сайте по адресуwww.morion.com.ru/rus или http://морион.рф. По запро-су высылаются более подробные данные.

Symmetricom

www.symmetricom.com

Дополнительная информация:см. «Морион», ОАО

Agilent Technologies Inc.115054, Москва, Космодамианская наб., 52, стр.1Тел.: +7 (495) 797-3928tmo_rus@agilent.comwww.agilent.ru

«Морион», ОАО199155, С.-Петербург, пр. Кима, д. 13аТел.: +7 (812) 350-75-72, +7 (812) 350-9243Факс: +7 (812) 350-72-90, +7 (812) 350-1559sale@morion.com.ruwww.morion.com.ru

Представительство Analog Devices Inc.196105, С.-Петербург, Благодатная ул., д.22, кв.2Тел.: +7 (812) 327-45-90Факс: +7 (812) 327-45-91vera.malinovskaya@analog.com.ruwww.analog.com/ru

«Элтех», ООО198035, С.- Петербург, ул. Двинская, 10, к. 6АТел.: +7 (812) 635-50-60Факс: +7 (812) 635-50-70info@eltech.spb.ruwww.eltech.spb.ru