kit_102021

12+ Компоненты и технологии

C o m p o n e n t s www.kit-e.ru

№ 10 ’2021

Te c h n o l o g i e s

№ 10 ’2021 (октябрь)

ISSN 2079-6811

SSD компании Foremay для важной информации

октябрь

Дисплейная продукция компании BOE

Components & Technologies

Пошаговая установка среды разработки

IAR Embedded Workbench

Реклама

Реклама

&

Термоинтерфейсы от Würth Elektronik

Реклама

Реклама

Реклама

10 (243) '2021

10 (243) '2021

Главный редактор Правосудов Павел Викторович | pavel@fsmedia.ru Заместитель главного редактора Ольга Дорожкина (Зайцева) | olga_z@fsmedia.ru Выпускающий редактор Ксения Притчина | ksenia.pritchina@fsmedia.ru Редактор Наталья Новикова | Natalia.Novikova@fsmedia.ru Редакционная коллегия Александр Фрунзе, Иосиф Каршенбойм, Виктор Лиференко, д. т. н., профессор Владимир Махов, д. т. н.

Рынок Вадим Черный Возрождение EMS в Европе? Стабилизатор напряжения с низким остаточным напряжением с дополнительными функциями для автомобильной электроники

Отдел рекламы Ирина Миленина | irina@fsmedia.ru Отдел подписки podpiska@fsmedia.ru

Москва ул. Южнопортовая, д. 7, строение Д, этаж 2 Тел./факс: (495) 987-3720 СанктПетербург 197046, Санкт-Петербург, Петроградская наб., д. 34 литер Б, помещение 1-Н, офис 321в Тел. (812) 467-45-85 email: compitech@fsmedia.ru, web: www.kit-e.ru

Республика Беларусь «ПремьерЭлектрик» Минск, ул. Маяковского, 115, 7й этаж Тел./факс: (10*37517) 2973350, 2973362 Отдел распространения СанктПетербург: fps@fsmedia.ru

80743 П4209

Журнал «Компоненты и технологии» зарегистрирован Управлением Федеральной службы по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций по Санкт-Петербургу и Ленинградской области. Свидетельство о регистрации ПИ №ТУ 78-00653 от 23 июля 2010 года. Учредитель ООО «Издательство Файнстрит» Адрес редакции 197046, Санкт-Петербург, Петроградская наб., д. 34 литер Б, помещение 1-Н, офис 321в Издатель ООО «Медиа КиТ» 197046, Санкт-Петербург, Петроградская наб., д. 34 литер Б, помещение 1-Н, офис 321в

6

10

Компоненты Тодд Филлипс (Todd Phillips) Защита высокоскоростных портов

Дизайн и верстка Ольга Ворченко | olga@fsmedia.ru

Подписные индексы Агентство «Урал-Пресс» «Почта России»

Содержание

12

Хуман Хашеми (Hooman Hashemi) Перевод: Евгений Потемкин Усилитель с программно-управляемым коэффициентом усиления обеспечивает функциональную гибкость системы 16 Стив Робертс (Steve Roberts) Дополнения: Владимир Рентюк Пиковая и средняя мощность: как выбрать источник питания правильно

20

Стив Робертс (Steve Roberts) Питание датчиков для систем технического обслуживания по состоянию 23

Неил Куинн (Neil Quinn) Ричард Анслоу (Richard Anslow) Перевод: Михаил Русских Оптимизация шины FieldBus поможет совершенствовать интеллектуальные системы

26

Константин Верхулевский Устройства компании Foremay для хранения и защиты важной информации

32

Связь по сети Ethernet: как использовать платформу Arduino в сетях IoT и IIoT

38

Блоки питания Владимир Рентюк Импульсные блоки питания универсального применения серий LM/LMF и LI/LIF компании MORNSUN

41

Максим Орлов Источники питания Mean Well для электрических зарядных станций и зарядных устройств

50

Дисплеи Александр Самарин, Виктор Егоров Дисплейная продукция компании BOE: технологии, области применения и перспективные разработки 54

Отпечатано в типографии «Премиум Пресс» 197374, Санкт-Петербург, ул. Оптиков, 4. Дата выхода в свет 29.10.21 Тираж 6000 экз. Свободная цена Редакция не несет ответственности за информацию, приведенную в рекламных материалах. Полное или частичное воспроизведение материалов допускается с разрешения ООО «Медиа КиТ». Журнал включен в Российский индекс научного цитирования (РИНЦ). На сайте Научной электронной библиотеки eLIBRARY.RU (www.elibrary.ru) доступны полные тексты статей. Статьи из номеров журнала текущего года предоставляются на платной основе. Возрастное ограничение 12+

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

ООО «ЭФО» — ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР IAR SYSTEMS

ЭКОСИСТЕМА СРЕДСТВ РАЗРАБОТКИ IAR SYSTEMS ДЛЯ ВСТРАИВАЕМЫХ ПРИЛОЖЕНИЙ IAR Embedded Workbench для ARM, AVR, 8051, STM32, STM8, MSP430, RISC-V • Компилятор C/C++ • Транслятор ассемблера • Компоновщик • Библиотечный модуль • Редактор • Менеджер проектов

• Отладчик C-SPY • Статический анализатор кода C-STAT (опционально) • Динамический анализатор кода C-RUN (опционально) • Примеры программ • Годовая техническая поддержка

www.iar.com Аппаратные отладчики I-jet и I-jet Trace • Поддержка внутрисхемного программирования • Интеграция со средой IAR Embedded Workbench • Поддержка ядер ARM7/ARM9/ARM11, ARM Cortex-A/R/M, RISC-V • Скорость загрузки до 1,89 Мбайт/с • Поддержка режима Power Debugging

Реклама

ПОСТАВКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ПОДДЕРЖКА ПЕРМЬ

Самый компактный и быстрый код на рынке Поддержка более 14000 типов микроконтроллеров Удобный пользовательский интерфейс Оценочные версии

10 (243) '2021

10 (243) '2021

Editorinchief Pavel Pravosudov | pavel@fsmedia.ru Deputy of editorinchief Olga Dorozhkina (Zaytseva) | olga_z@fsmedia.ru Managing editor Ksenia Pritchina | ksenia.pritchina@fsmedia.ru Editor Natalia Novikova | Natalia.Novikova@fsmedia.ru Editorial staff Alexander Frunze Victor Liferenko Joseph Karshenbojm Vladimir Mahov Design and layout Olga Vorchenko | olga@fsmedia.ru Advertising department Irina Milenina | irina@fsmedia.ru Subscription department podpiska@fsmedia.ru

Moscow 7, building D, floor 2, Yuzhnoportovy str., Moscow, Russia Tel. +7 (495) 987-3720

Содержание Проектирование Владимир Бугров Квантование коэффициентов малоразрядного БИХ-фильтра методом динамического программирования

62

Ен Хван Чо (Yong Hwan Cho) Кит Солуша (Keith Szolusha) Перевод: Евгений Ивашенко Разводка печатной платы для снижения ЭМИ на примере четырехключевого повышающе-понижающего контроллера с одинарным и двойным «горячим» контуром 70 Татьяна Мамаева IAR: пошаговая установка среды разработки IAR Embedded Workbench и правила переноса лицензий под руководством LMS2

76

Владимир Макаренко ADI Precision Studio от компании Analog Devices

79

Татьяна Колесникова Применение программы CodeVisionAVR для управления LCD-дисплеями в Proteus 8.11

86

Технологии Владимир Рентюк Термоинтерфейсы от Würth Elektronik: упрощение отвода тепла и путь к повышению надежности оборудования 98 Алексей Мендеров Функциональные генераторы против генераторов сигналов произвольной формы на примере тестирования автомобильного Ethernet

108

St. Petersburg of. 321v., pom 1-H, b. 34 “B”, Petrogradskaya Emb., St. Petersburg, 197046, Russia Tel. (812) 4381538 Fax (812) 3460665 email: compitech@fsmedia.ru web: www.kit-e.ru

Belarus Republic Minsk, Premier Electric Tel./fax: (10*37517) 2973350, 2973362 Circulation department St. Petersburg: Victor Zolotarev | victor.zolotarev@fsmedia.ru Subscription index for Components & Technologies Rospetchat Agency catalogue subscription index 80743 Age limit 12+

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

рынок

6

Возрождение EMS в Европе?

Вадим Черный v.chornyy@vdmais.ua

С легкой руки Forbes слово «возрождение» (Renaissance) пошло гулять по сети в многочисленных статьях о сияющих перспективах контрактного производства электроники в Европе и сопутствующих вопросах. Что на самом деле происходит в области EMS и насколько оправдан оптимизм руководителей отрасли? Давайте попробуем разобраться и для начала посмотрим, что пишут отраслевые издания.

С

тартом флешмоба стала колонка A Manufacturing Renaissance Could Drive europe's Post Pandemic Recovery в Forbes, написанная Марко Аннунцьята (Marco Annunziata). Автор популярных статей в Wall Street Journal, the Financial Times и Harvard Business Review, профессор Сингапурского университета управления и лектор в Гарварде и Стэнфорде, доктор экономики из Принстона с блестящей карьерой в МВФ, Deutsche Bank, UniCredit и General Electric, спикер TED и отраслевых конференций (рис. 1), советник правительственных и неправительственных организаций, соучредитель стартапов и в целом незаурядная личность, Марко стал корреспондентом Forbes в январе этого года и апрельской статьей запустил отраслевую дискуссию относительно перспектив контрактного производства электроники в Старом Свете. Автор сделал предположение, что строгие карантинные ограничения на фоне разрушения мировых цепочек поставок заставят европейских производителей выстраивать более эффективные модели распределения труда, основанные на локализации производственных связей в пределах Европы. В качестве примеров в статье взяты ALL Circuits, крупнейшего французского провайдера EMS и KATEK Group, второго по объемам контрактного производителя электроники в Германии. Руководители обеих компаний, Бруно Рако (Bruno Racault) и Райнер Коппитц (Rainer Koppitz), в этой статье (а также в многочисленных последующих интервью и статьях) утверждают, что растущее количество европейских производителей объединяется, чтобы обеспечить целостность цепочек поставок и ускорить производственный цикл. Также автор отмечает, что низкая стоимость рабочей силы перестала быть решающим фактором, который вытеснял производство из развитых стран на Восток, сейчас производители борются не за дешевую рабочую силу (которая в той же Юго-Восточной Азии уже давно не такая уж и дешевая), а за таланты, а производство тяготеет к локациям с лучшей инфраструктурой, приближенным

Рис. 1. Марко Аннунцьята и Филипп Стотен запустили вирусную мысль о возможности ренессанса EMS в Европе

к поставщикам и потребителям. Преимуществом становятся скорость и гибкость EMS на фоне диджитализации производственных процессов. Не в последнюю очередь на возрождение производства в Европе должны повлиять усилия правительств ЕС, в частности та же ALL Circuits уже получила финансовую поддержку от французского правительства.

Предпосылки к решорингу В августе оптимистичный посыл подхватил Филипп Стотен (Philip Spagnoli Stoten), основатель авторитетного отраслевого ресурса EMSNow.com и отраслевого агентства SCOOP, известный многочисленными публикациями, аудио- и видеоподкастами, и конференциями (рис. 1) на тему контрактного производства электроники. Стотен отметился статьей “Europe's Manufacturing Renaissance” на страницах www.epsnews.com. Впрочем, статья начинается с минорных ноток, в частности речь идет о разрыве цепочек поставок. Впервые показатель букинга до оплат (Bookto Bill Ratio — ключевая метрика, отношение количества заказов к количеству отгрузок готовой продукции в течение последних трех месяцев) для контрактного производства пересек отметку в 1,5. Но сейчас он не отражает степени развития отрасли, а свидетельствует о росте очереди заказчиков к контрактным производителям. Из-за недостатка компонентов и увеличения сроков поставки отрасль затормозила, и клиенты вынуждены ждать, когда комплектация поступит в ЕМS провайдера и он сможет выполнить заказ и отгрузить готовую продукцию. Кстати, этот дисбаланс отмечает в последних отчетах и отраслевая ассоциация IPC, в частности, на североамериканском рынке овербукинг еще более впечатляющий (рис. 2). Помимо уже упомянутых в Forbes Бруно Рако и Райнера Коппитца, автор статьи интервьюирует Тео Савиля (Theo Saville), директора британской «умной» фабрики CloudNC. По мнению Тео, процесс решоринга (возвращение в страну производств, ранее вынесенных за рубеж) уже стартовал, даже несмотря на то, что глобальные цепочки поставок более или менее справляются с рядом проблем, начиная от коронавирусных ограничений и заканчивая блокированием поставок, связанного с пробками в Суэцком канале. Дальнейшая автоматизация производства вплоть до внедрения автономного оборудования (не требующего операторов) нивелирует зависимость производителей от стоимости рабочей силы. С другой стороны, замечает господин Савиль, от малого и среднего бизнеса не следует ожидать тотального перехода на диджитализированные процессы. Внедрение сверхсовременных производственных технологий по карману и по возможностям только крупным компаниям. Более того, это может создать весомые преимущества для гигантов вроде TSMC или Foxconn, что приведет к еще большей консолидации на разных рынках. К разговору экспертов присоединяется Дитер Вайс (Dieter Weiss), известный отраслевой эксперт и глава агентства in4ma. В течение

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

рынок

нескольких лет он пытается доказать, что по интегральному показателю производство электроники в Европе не дороже или по крайней мере не существенно дороже, чем в Азии. А стоимость контрактного производства в Восточной Европе оказывается кое-где даже дешевле китайского. По мнению Вайса, чиновники в поисках путей, позволяющих накачать электронную отрасль деньгами, ошибочно делают ставку только на крупные компании. Между тем, отрасль контрактного производства, за несколькими исключениями, широко представлена средними и малыми предприятиями. Они (чиновники) посещают церемонию открытия новой фабрики чипов Bosch в Дрездене (7 июня этого года), обсуждают субсидии на 8 млрд евро для развертывания производства в Европе. Но какая от это выгода европейским ЕМSпровайдерам, которые создают 250 000 рабочих мест, или ОЕМ-производителям с их 700 000 сотрудников? А вот и ответ от крупных компаний. В той же статье Манфред Амбергер (Manfred Amberger), вице-президент Zollner Elektronik AG, крупнейшего немецкого и европейского ЕМS-провайдера (впрочем, лишь 15‑го в мировом рейтинге), ожидаемо говорит о надежде на скоординированные общеевропейские усилия по решорингу производства электроники из Азии в Европу. Также Амбергер добавляет, что серьезным залогом этого становится интенсивная подготовка работников и развертывание образовательных программ, поскольку европейская электронная отрасль уже сейчас страдает от нехватки квалифицированных специалистов.

Текущее состояние EMS в Европе Между тем, 16 сентября президент Еврокомиссии Урсула фон дер Ляйен (Ursula von der Leyen) во время выступления в Страсбурге уже анонсировала принятие в ближайшее время European Chips Act, очевидно, по аналогии с CHIPS for America Act, утвержденным Конгрессом США в конце прошлого года. Еврокомиссар Тьерри Бретон (Thierry Breton) пролил свет в своем блоге на основные принципы плана. Вероятно, огромные ресурсы будут привлечены для возобновления производства полупроводников в Европе. Никаких движений в сторону EMS. Опять же, вероятно. Поэтому европейским контрактным производителям придется справляться самим. Насколько им это удается сейчас? Да не очень. В соответствии с последним на данный момент, апрельским отчетом Manufacturing Market Insider (MMI) доля компаний из макрорегиона EMEA (Европа, Средний Восток и Африка) среди 50 крупнейших ЕМS-провайдеров мира составляет лишь 1,9%! Еще год назад она была 2,3%. В то же время Азиатско-Тихоокеанский ре-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

7

Рис. 2. Рост BooktoBill Ratio свидетельствует не о росте отрасли, а о росте очереди заказанных, но не выполненных EMS (источник: отчет IPC за июль 2021 года)

гион представлен компаниями с долей 81,9%, в прошлом году этот показатель составлял 90,2%. При этом лидер рынка Foxconn сам имеет едва ли не треть мирового оборота контрактной отрасли. На обе Америки приходится 16,2% доходов EMS-сегмента, в прошлом году это было 7,4%. Поэтому, как видим, сейчас американские компании пытаются вернуть себе долю рынка, очевидно и не без помощи со стороны правительственных агентств, особенно на фоне торговой войны между США и Китаем. Крупнейший европейский контрактный производитель электроники Zollner Elektronik AG занимает 15‑е среди мировых чемпионов по EMS, второй и третий крупнейшие европейские ЕМS-провайдеры, Asteelflash из Франции и Scanfil из Финляндии, замыкают топ‑30. При этом французы умудрились показать уменьшение продаж более чем на 22%. В топ‑50 есть также по одному представителю из Венгрии, Великобритании, Швейцарии, Нидерландов, Дании и Норвегии. Очевидно, производство электронных модулей для чувствительных секторов экономики, например, для сегментов обороны и безопасности критической инфраструктуры или аэрокосмического назначения, создает фиксированный локализованный спрос в каждой стране. Вторая немецкая компания в топ‑50, Katek SE, очевидно, растет благодаря агрессивной M&A в Германии и развитию собственного производства в Китае, показав годовой рост 31,1%. Итак, мы видим, что на фоне азиатских и американских компаний европейские предприятия выглядят довольно вяло. Для понимания всего драматизма ситуации следует упомянуть, что в 1990‑х годах доля рынка EMS, контролируемая европейскими компаниями, составляла по меньшей мере треть. На американские компании при-

ходилась половина всего рынка, на азиатские — что-то около 20%. Поэтому европейская доля ЕМS-пирога сейчас очень мала. Понятно, что приведенные MMI-данные основаны на формальной принадлежности ЕМS-провайдеров согласно тем юрисдикциям, в которых зарегистрированы их штаб-квартиры. Здесь есть определенные вопросы. Скажем, тот же Flex (сейчас пятый в мировом рейтинге ЕМSпровайдер), который в свое время под именем Flextronics пытался догнать растущего монстра ЕМS-рынка — компанию Hon Hai Precision (Foxconn), некоторое время в мировых раскладах учитывался как компания из Сингапура. Впрочем, с самого начала никто не сомневался в калифорнийских корнях этого производителя, и сейчас, даже несмотря на то, что юридический адрес компании не изменился, Flex относится к пулу американских компаний с пропиской (операционная штаб-квартира) в Сан-Хосе. Другой весьма показательный пример — номер 16 в мировом рейтинге, компания Fabrinet с формальной пропиской на Каймановых островах. Между тем, этот контрактный производитель был создан на базе расположенных в КНР и выделенных в отдельный бизнес производственных мощностей корпорации Seagate Technology (США). Поэтому, возможно, более показательно распределение производственных мощностей EMS по географии, без привязки к местоположению их штаб-квартир. Согласно исследованиям агентства Maximize Market Research Pvt Ltd., производственные площадки ЕМS-провайдеров разбросаны по миру более равномерно (рис. 3). Очевидно, контрактное производство размещается кластерами вплотную к мощностям OEMпроизводителей, которые, в свою очередь, стараются быть как можно ближе к потреwww.kite.ru

8

рынок

Рис. 3. Географическое распределение контрактного производства электроники (источник: Maximize Market Research)

бителям. Удивление относительно высоких показателей Среднего Востока и Африки и Южной Америки быстро испаряется, когда вспоминаешь о мощном ЕМS-кластере в Мексике, почти полностью сфокусированном на рынке США, в первую очередь на соседних Калифорнии и Техасе, и многочисленные заводы в Северной Африке, ориентированные прежде всего на рынки ЕС. Итак, вернемся в Европу. На фоне прошлогоднего дохода в $384 млрд, которые получили 50 гигантов мировой ЕМS-отрасли, оценка европейского рынка в $28–30 млрд выглядит несколько заниженной. По мнению Дитера Вайса, возглавляющего in4ma и Weiss Engineering, цифры явно взяты с потолка и основаны на предположениях. Впрочем, отсутствие в свободном доступе статистической информации относительно европейского рынка, две трети которого приходится на Восточную Европу, ее неполнота и фрагментарность не дают возможности построения более или менее полной аналитической картины. Weiss Engineering провел масштабное исследование, идентифицировав 2160 ЕМS-компаний в Европе и около 70 ориентированных на европейские рынки предприятий на Среднем Востоке, в Израиле и странах Магриба. О большинстве этих компаний удалось собрать более-менее приближенную к реальности информацию, а 155 из них (преимущественно немецкие, швейцарские и австрийские), которые представляют около 17% общего объема европейского рынка EMS, согласились предоставить подробные сведения, базирующиеся на финансовой отчетности. На основе анализа полученных данных и корреляций, в Weiss Engineering пришли к выводу, что еще в 2018 году европейский рынок EMS превышал $43,5 млрд, что на 8,6% больше показателей 2017 года. Впрочем, такой рост обусловлен экспансией глобальных ЕМS-провайдеров Foxconn, Wistron, Inventec, Flex и Jabil, инвестировавших в новые мощности в Восточной Европе. В допандемийном, 2019 году объем EMS в Европе превышал $45 млрд. При этом структура рынка остается чрезвычайно пестрой. Более 1600 европейских ЕМS-провайдеров относятся к среднему, а скорее всего, к мелкому бизнесу с годовым объемом доходов до 10 млн евро. По мнению доктора Вайса, большинство из этих компаний развивается хаотично, не имея ни четкого видения, ни сформулированной стратегии развития, поэтому в дальнейшем обречены. Около 18% таких предприятий несут убытки по результатам деятельности из-за пренебрежения элементарными бизнес-инструментами. Хотя, как показывают цифры из финансовых отчетов контрольной группы

предприятий, заметен общий тренд на улучшение финансового состояния. Так, в течение 2014–2018 годов доля убыточных предприятий среди немецких ЕМS-провайдеров снизилась с 23,6 до 10,6%. В то же время едва ли не все из крупных игроков отрасли (с годовым доходом от 50 млн евро и выше) демонстрируют уверенный рост в продажах. По оценкам Weiss Engineering, пандемия будет стоить европейской ЕМS-отрасли около 10% спада в доходах. Между тем, как видим, мировой рынок EMS пережил первые волны пандемии довольно безболезненно и уверенно движется вперед. Прошлогодний рост составил около 4,6% в общемировом измерении, причем азиатские производители показали около 6% роста (в том числе локомотив отрасли Foxconn прибавил 5,2%), американские компании топтались на месте, а европейские производители «упали» за прошлый год на 3,4%. О каком же ренессансе так радостно заявляют амбассадоры отрасли?

Что дальше? Очевидно, довольно оптимистичные заявления и ожидания, которые распространялись волнами после статей Аннунцьята и Стотена, пока не получают подтверждения, по крайней мере до сих пор нет никаких признаков усиления европейских контрактных производителей. Более того, определенные заявления звучат как оправдание текущему положению вещей. Так, в опубликованной 24 сентября текущего года на www.epsnow.com статьи Мата Керифута (Matt Carefoot), менеджера по покупкам британского ЕМS-провайдера SMS Electronics, речь идет о панике, царящей на рынке из-за нехватки компонентов для монтажа электронных модулей. ЕМS-провайдеры отчаянно пытаются найти недостающие компоненты, тратя на это большие усилия, но преимущественно без результата. Поэтому сейчас многие контрактные производители вынуждены разводить руками и ставить своих клиентов в очередь или же пытаться предложить альтернативы из имеющихся на складах дистрибьюторов компонентов или даже с «серого» рынка. Между тем текущая ситуация, конечно, не продлится вечно. Возможно, не все участники рынка смогут добраться до светлого будущего без потерь, но уже сейчас понятно, что лучше всего справятся со сложными временами системные компании. Как заметил Дитер Вайс, крупные компании сейчас растут, малые — страдают.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

рынок

В определенной степени с ним соглашаются многие руководители научно-производственных компаний. Текущая ситуация с многочисленными сложностями, порожденными пандемией и не только ею, уже стала своеобразной лакмусовой бумажкой, которая отделяет системных игроков рынка от узконишевых. Хотя на нашем рынке предложений EMS и нет недостатка, но системных игроков, способных реализовывать сложные проекты, можно посчитать на пальцах. Вероятно, и одной руки хватит. Развитие контрактного производства как явления, формализованное в виде стратегии предприятия и подкрепленное стратегическими инвестициями в технологии — это не просто покупка оборудования, но и инвестицции прежде всего в исследование жизненного цикла тех или иных технологий, их перспективности для клиентов контрактного производителя, в подготовку специалистов, в автоматизацию всей производственной и административной цепочки внутри и снаружи предприятия, в развитие системы управления качеством, сертификацию и т. п. Еще одно проявление системности ЕМS-провайдера — создание определенной экосистемы стратегических взаимоотношений с заказчиками. Ведь современное контрактное производство электроники — это уже давно не просто аутсорсинг монтажа РЭА на мощности другого предприятия. Все чаще ЕМS-провайдеры выступают как доверенные партнеры ОЕМ-производителей в развитии их продукта. В шутку взаимоотношения ЕМS-провайдеров и ОЕМпроизводителей можно сравнить с браком по расчету. По статистике, такие браки самые крепкие. Контрактный производитель должен постоянно заботиться о высоком технологическом уровне и об активном развитии своих возможностей в контексте развития возможно-

9

стей клиентов. Фактически системный ЕМS-провайдер растет вместе со своими клиентами, он зависит от них, как и они зависят от него. Кстати, вопрос взаимодействия OEM и EMS поднимает Стотен в статье “Is It Time To Rebrand Electronics Manufacturing Services?”, опубликованной в Forbes в конце июля. Все чаще ЕМS-провайдеры не только собирают платы для клиентов, но и сотрудничают в разработке, обеспечивают комплектацию, прошивку, тестирование, гарантийное обслуживание… Не только стартапы, но и OEM опираются на экспертизу своих производственных партнеров. Возвращаясь к теме (гипотетического) ренессанса европейских EMS, учитывая вышесказанное, стоит ожидать проекции возможного решоринга европейского производства электроники и на наши просторы? Напрямую вряд ли. Так, долгое время мы наблюдали «перетекание» EMS внутри Европы с запада на восток. Внутри этого процесса выросло несколько довольно мощных контрактных производителей, следует вспомнить, скажем, венгерский Videoton или польский Fideltronik. Есть ли сейчас предпосылки для того, чтобы эта волна катилась дальше на восток? Сомнительно. Но есть другой путь — искать путь на европейские и мировые рынки отечественным производителям электроники вполне по силам. Уже сегодня в сегменте промышленной автоматики, медицинского оборудования, инфраструктуры, бытовых и промышленных систем безопасности, есть ряд отечественных продуктов, вполне конкурентных и успешных на европейском и даже глобальном уровне. Очевидно, тренд на нивелирование ценовых преимуществ азиатского производства улучшает возможности для европейских производителей электроники в целом, и для отечественных, в частности. Будут расти они будут расти и ЕМS-провайдеры. Тогда можно будет вести речь и о ренессансе. n

новости

Состоялся запуск нового завода по производству электроники «Макро ЕМС» 15 сентября 2021 года состоялся официальный запуск завода контрактного производителя электроники «Макро ЕМС», входящего в группу компаний «Макро Групп». В день запуска завод посетили губернатор Санкт-Петербурга А. Д. Беглов, председатель Комитета по промышленной политике, инновациям и торговле Санкт-Петербурга К. А. Соловейчик и глава администрации Фрунзенского района К. Н. Серов. Для них провели экскурсию по заводу председатель совета директоров ГК «Макро Групп» Д. А. Велеславов и директор «Макро ЕМС» Д. А. Семенов. Выступая перед многочисленными журналистами, губернатор отметил, что город поддерживает развитие высокотехнологичных отраслей промышленности, предоставляет преференции компаниям, которые создают новые производства, модернизируют и расширяют мощности. Новый завод «Макро ЕМС» построен за год. Ему был присвоен статус регионального инвестиционного проекта, который предусматривает для предприятий льготы по налогу на имущество и прибыль. В рамках церемонии открытия на видеосвязь с приветственным словом для сотрудников и гостей вышел заместитель министра промышленности и торговли Российской Федерации В. В. Шпак. В символической церемонии открытия «старт» новому предприятию дали председатель Комитета по промышленной политике, инновациям и торговле Санкт-Петербурга К. А. Соловейчик, глава администрации Фрунзенского района К. Н. Серов, исполнительный директор АРПЭ И. А. Покровский, генеральный директор ООО «Макро ЕМС» Д. А. Семенов и председатель совета директоров группы компаний «Макро Групп» Д. А. Велеславов. Мероприятие собрало более 80 гостей — заказчиков и партнеров компании и порядка 50 журналистов и представителей наиболее авторитетных СМИ. Для всех участников церемонии открытия провели экскурсию по заводу. Посетители завода делились впечатлениями от поражающего своей эргоно-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

мичностью, автоматизированностью, организованностью современного производства, максимально соответствующего высшим европейским стандартам. В момент запуска на заводе контрактного производителя электроники «Макро ЕМС» установлено четыре линии поверхностного монтажа с суммарной производительностью почти 500 000 комп./ч. Завод также оснащен установками пайки волной припоя и селективной пайки. Компоненты, которые невозможно установить в автоматическом режиме, устанавливаются на участке ручного монтажа, оборудованном 80 «умными» рабочими местами. Площадь помещений завода позволяет в будущем расширить производственные мощности до пяти линий поверхностного монтажа и до 130 «умных» рабочих мест ручного монтажа. www.macrogroup.ru

www.kite.ru

на правах рекламы

10

Стабилизатор напряжения с низким остаточным напряжением с дополнительными функциями для автомобильной электроники Микросхема IZE4263A предназначена для создания постоянного напряжения 5 В с остаточным напряжением не более 0,5 В при токе нагрузки 150 мА и используется в источниках питания электронной аппаратуры, в частности в автомобильной электронике.

М

икросхема (рис. 1) разработана для питания микропроцессорных систем, действующих в жестких условиях автомобильных приложений, поэтому снабжена функциями дополнительной защиты от перегрева, устойчивостью к переполюсовке входного напряжения, короткому замыканию выхода на «землю», имеет внутреннее ограничение максимального тока нагрузки с температурным сбросом выходного напряжения. Кроме того, микросхема может использоваться в источниках питания электронной аппаратуры, где необходимо стабилизированное напряжение.

ОАО «ИНТЕГРАЛ» — управляющая компания холдинга «ИНТЕГРАЛ» г. Минск, Республика Беларусь Тел.: (+375 17) 238–97–43.

E‑mail: ATitov@integral.by. Сайт: integral.by

Основные характеристики (табл. 1, 2): • точность выходного напряжения не более ±2% в диапазоне выходных токов от –5 мА до –150 мА и входных напряжений 6–28 В; • обеспечение максимального тока нагрузки: до –200 мА; • диапазон входного напряжения: 5,7–45 В; • низкое потребление тока в ждущем режиме; • низкое остаточное напряжение; • функция слежения за функционированием микроконтроллера; • регулируемый порог сброса; • встроенная температурная защита; • устойчивость к короткому замыканию выхода на «землю» посредством внутреннего ограничения максимального тока нагрузки с температурным сбросом выходного напряжения; • устойчивость к переполюсовке входного напряжения: до –42 В; • совместимость с автомобильными электронными схемами; • диапазон рабочих температур кристалла: –40…+125 °C; • допустимое значение потенциала статического электричества: 2000 В.

Рис. 1. Схема электрическая структурная микросхемы: : R1–R3 — резисторы; VT1 — транзистор

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

на правах рекламы

Таблица 2. Электрические параметры микросхем

Наименование параметра

UI

Входное напряжение, В

UR

Выходное напряжение по выходу сброса, В

URADJ

Напряжение по входу регулировки сброса, В

UD

Напряжение по выводу задержки сигнала сброса, В

–0,3*

42*

UQ

Выходное напряжение, В

–0,3*

7*

UINH

Напряжение по входу запрета, В

–42*

45*

UW

Напряжение по входу слежения, В

–0,3*

6*

TJ

Температура кристалла, °С

–40**

+150

не менее

не более

Буквенное обозначение

Обозначение параметра

Таблица 1. Предельные режимы

11

–42

45

Regterm

Норма

–0,3*

Термостабилизация, %/Вт

42* Iq

–0,3*

Норма Наименование параметра

Ток потребления, мА

6*

Примечание. * Без подачи напряжения на вход I. ** Указана температура окружающей среды.

Режим измерения

UQ

Максимальный выходной ток, мА

Выходное напряжение, В

не более

UI = 45 В, UINH = 3,6 В, |–1| мА ≤ IQ ≤ |–100| мА

–

0,5

UI = 13,5 В, UINH = 0 В, R2 = 1 кОм

–

0,05

UI = 13,5 В, UINH = 3,6 В, IQ = 0 мА

–

1,3

UI = 13,5 В, UINH = 3,6 В, IQ = |–150| мА

–

18

UI = 4,5 В, UINH = 3,6 В, IQ = |–150| мА IQmax

не менее

Температура кристалла, °C 25 ±10 25 ±10 –40*…+125

–

23

|–200|

|–400|

25 ±10 –40*…+125

6 В ≤ UI ≤ 28 В, UINH = 3,6 В, |–5| мА ≤ IQ ≤ |–150| мА

4,9

5,1

25 ±10 –40*…+125

6 В ≤ UI ≤ 32 В, UINH = 3,6 В, IQ = |–100| мА

4,9

5,1

25 ±10 –40*…+100**

UI = 13,5 В, UINH = 3,6 В

UI = 45 В, UINH = 3,6 В, IQ = |–5| мА

4,8

5,2

25 ±10 –40*…+125

DUQ(U)

Изменение выходного напряжения при изменении входного напряжения, мВ

6 В ≤ UI ≤ 28 В, UINH = 3,6 В, IQ = |–150| мА

–

25

25 ±10 –40*…+125

DUQ(I)

Изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки, мВ

UI = 13,5 В, UINH = 3,6 В, |–5| мА ≤ IQ ≤ |–150| мА

–

25

25 ±10 –40*…+125

UDR

Остаточное напряжение, В

UINH = 3,6 В, IQ = |–150| мА

–

0,5

25 ±10 –40*…+125

URT

Пороговое напряжение включения выхода генератора сброса, В

UINH = 3,6 В, URADJ = 0 В

4,5

4,8

25 ±10 –40*…+125

URADJTH

Пороговое напряжение включения по входу регулировки сброса, В

UINH = 3,6 В

1,26

1,44

25 ±10 –40*…+125

Напряжение низкого уровня на выходе генератора сброса, В

UI = 13,5 В, UINH = 3,6 В, R1 = 5,6 кОм

–

0,4

25 ±10 –40*…+125

Напряжение насыщения, мВ

UI = 13,5 В, UINH = 3,6 В, R1 = 5,6 кОм

–

100

25 ±10 –40*…+125

UI = 13,5 В, UINH = 3,6 В, IQ = |–5| мА

1,45

2,05

25 ±10 –40*…+125

UI = 13,5 В, UINH = 3,6 В, IQ = |–5| мА

0,2

0,55

25 ±10 –40*…+125

Параметры генератора сброса

Справочные параметры: • коэффициент сглаживания пульсаций, PSRR, не менее: 50 дБ; • ток короткого замыкания I Q1, не более: 400 мА; • температура выключения схемы при повышении температуры Tj, OFF, не менее/ не более: +151/+200 °C. Типовая схема применения микросхемы приведена на рис. 2. Усилитель ошибки сравнивает опорное напряжение, которое с высокой точностью поддерживается резистивной регулировкой (подстройкой), с напряжением, которое пропорционально выходному напряжению, и управляет базой последовательного транзистора через буфер. Управление насыщением, в зависимости от тока нагрузки, предохраняет любое сверхнасыщение мощного элемента. Если внешне уменьшенное выходное напряжение на входе регулировки порога сброса RADJ падает ниже 1,35 В (типовое значение), то конденсатор внешней задержки сброса разряжается генератором сброса. Когда напряжение конденсатора достигает более низкого порога U DRL, на выходе сброса появляется сигнал сброса и поддерживается до тех пор, пока не будет превышен верхний порог U DU. Если вход регулировки порога сброса RADJ подключен к GND, то сброс запускается при выходном напряжении 4,65 В (типовое значение). Функционирование подключенного микроконтроллера отслеживается функцией слежения. При отсутствии импульсов на выводе W выход сброса RO устанавливается в низкий уровень. Время задержки сброса может быть установлено в широком диапазоне с помощью конденсатора задержки сброса. Микросхема может переключаться по встроенному входу запрета с активным низким уровнем. Микросхема также содержит ряд внутренних схем для защиты от перегрузки, перегрева, устойчивости к обратной полярности. n

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

UROL UDsat UDU (UDU(W)) UDRL (UDWL)

Пороговое напряжение переключения выхода RO в состояние высокого уровня, В Пороговое напряжение переключения выхода сброса в состояние низкого уровня, В

ID,ch

Ток заряда, мкА

UI = 13,5 В, UINH = 3,6 В, IQ = |–5| мА

40

85

25 ±10 –40*…+125

tRD

Время задержки при выключении, мс

UINH = 3,6 В, IQ = |–5| мА, С1 = 100 нФ

1,3

4,1

25 ±10 –40*…+125

tRR

Время задержки включения, мкс

UINH = 3,6 В, IQ = |–5| мА, С1 = 100 нФ

0,5

4

25 ±10 –40*…+125

Параметры блока слежения ID,wd

Ток разряда, мкА

UI = 13,5 В, UINH = 3,6 В, IQ = |–5| мА, UD = 1,0 В

4,4

9,1

25 ±10 –40*…+125

tWI,tr

Время разряда емкости, мс

UI = 13,5 В, UINH = 3,6 В, IQ = |–5| мА, С1 = 100 нФ

16

27

25 ±10 –40*…+125

UINH,ON

Напряжение включения по входу запрета, В

UI = 13,5 В, R2 = 1 кОм

–

3,6

25 ±10 –40*…+125

UINH,OFF

Напряжение выключения по входу запрета, В

UI = 13,5 В, R2 = 1 кОм

0,8

–

25 ±10 –40*…+125

Ток входа запрета, мкА

UI = 13,5 В, UINH = 5 В

5

25

25 ±10 –40*…+125

Параметры входа запрета

IINH

Примечания. UD — напряжение по выводу задержки сигнала сброса (контактная площадка 10).

C1 — емкость, подключаемая к выводу задержки сигнала сброса (контактная площадка 10).

R1 — сопротивление, подключаемое к контактным площадкам 13, 14.

R2 — сопротивление в соответствии со структурной схемой включения микросхем при измерении электрических параметров. Знак «–» перед нормой на ток указывает только его направление (вытекающий ток). * Указана температура окружающей среды. ** Допускается проводить измерение при +125 °C.

Рис. 2. Типовая схема применения микросхемы IZE4263A: C1, C3 — конденсаторы; C2 — конденсатор CD; R1, R2 — резисторы

www.kite.ru

компоненты

12

элементы защиты

Защита высокоскоростных портов Тодд Филлипс (Todd Phillips)

Это вторая статья в серии публикаций о защите портов коммуникационной аппаратуры. Сегодня мы рассмотрим защиту высокоскоростных интерфейсов USB, HDMI, DisplayPort и eSATA.

В

настоящее время существует множество схем и протоколов коммуникации для различных областей применения. Поскольку схемы передатчика и приемника данных находятся не в одном устройстве, то эти узлы становятся уязвимыми для внешнего воздействия. К таким, потенциально опасным воздействиям относят перегрузку по току, всплеск напряжения от молнии, быстрые переходные процессы (EFT) и электростатический разряд (ESD). Защита схемы от внешнего воздействия должна не только защитить электронную схему, но и не нарушить протокол обмена, сохранив целостность передаваемых данных. При срабатывании схемы защиты коммуникационный порт должен быть способен передавать неповрежденные данные, а схема приемника — корректно и точно их декодировать, затем полностью восстанавливать передаваемые данные. В статье мы рассмотрим четыре высокоскоростных интерфейса: • USB (Universal Serial Bus) от стандартного до высокоскоростных; • HDMI (High Definition Multimedia Interface); • DisplayPort; • eSATA (External Serial Advanced Technology Attachment). Назначение этих стандартов и их максимальная полоса пропускания приведены в таблице 1.

Интерфейсы USB Порты USB широко используются в персональных компьютерах, периферии, в электронном тестовом и измерительном оборудовании и во многих других продуктах. Интерфейс USB позволяет быстро и просто подсоединить компьютер или «умное» устройство к периферии. Первый стандарт USB появился в 1996 году и с тех пор несколько раз обновлялся, увеличивая свою пропускную способность и передаваемую мощность для зарядки мобильных устройств с аккумулятором. Организация USB-IF (USB-Implementers Forum) выделяет четыре основные ревизии стандарта. Проводной интерфейс USB начался со стандарта 1.0 и далее обновлялся до 2.0, 3.х, вплоть до новейшей версии USB4. В таблице 2 показаны версии USB и то, как изменялись их основные параметры. Различные скорости передачи позволяют подключать по USB самую разнообразную периферию — от медленных клавиатур до быстрых устройств обработки видео. При использовании USB

разработчики получают универсальное решение, в котором линии передачи данных не привязаны к специфическим функциям устройства. Помимо этого, разработчикам доступны малая задержка передачи для критичных ко времени функций или при необходимости возможность передавать большие объемы данных в фоновом режиме. Дополнительно стандарт определяет мощность передаваемой энергии (Power Delivery, PD) в соответствии с версиями стандарта 1–3. Уровень передаваемой мощности PD позволяет заряжать мобильные устройства по USB. Передаваемая мощность USB увеличилась с 2,5 (5 В при 0,5 А) до 100 Вт (20 В, 5 А). Разъемы USB также претерпели изменения для увеличения пропускной способности и передаваемой мощности. На рис. 1 представлена конфигурация разъемов USB и их размеры для каждой из версий стандарта. В таблице 3 указана максимальная пропускная способность каждого из приведенных разъемов.

Защита интерфейса USB 2.0 Интерфейс USB 2.0 состоит из линий VBUS и двух линий данных, показанных на рис. 2а. Линия VBUS, которая получает питание от сети переменного тока, может испытывать перегрузки по току и всплески напряжения, приходящие со стороны сети. Необходимо наличие самовосстанавливающегося предохранителя в цепи VBUS для защиты от перегрузок и дальнейшего восстановления цепи после завершения перегрузки. Полимерные самовосстанавливающиеся предохранители с положительным температурным коэффициентом (PPTC) способны существенно увеличивать свое сопротивление в случае возникновения перегрузки. Внутренняя структура PPTC-предохранителя изменяется при большом токе и приводит к росту его сопротивления. При охлаждении предохранитель восстанавливает свое низкоомное состояние. Такие предохранители используются для низковольтных схем, там где максимальное напряжение не превышает 24 В. Другие особенности PPTC-предохранителей: • сверхнизкое сопротивление от миллиом до 2 Ом в холодном состоянии; • широкий диапазон токов: 100 мА – 9 А; • быстрое время срабатывания; • малые корпуса SMD-исполнения: 0402–2920; • соответствие стандартам UL и TUV.

Таблица 1. Высокоскоростные интерфейсы и их характеристики Стандарт

Полное наименование

USB 2.0, USB 3.2, USB 4.0 и USB Type-C

Universal Serial Bus

Таблица 2. Активные версии USB-интерфейса и их характеристики Максимальная полоса пропускания, Гбит/с

Наименование

Общепринятое название

Скорость

Комментарии

Обмен данными между компьютером и периферией

40

USB 2.0 USB 3.2 Gen 1

USB Hi-Speed USB Super Speed USB Super Speed 10 Гбит/с USB Super Speed 20 Гбит/с USB4

480 Мбит/с 5 Гбит/с

– USB 3.0, USB 3.1, Gen 1

10 Гбит/с

–

20 Гбит/с

–

40 Гбит/с

–

Функции

HDMI

–

Передача несжатого видео и аудио на устройства

48

DisplayPort

–

Соединение источника видео с устройством отображения с использованием пакетной передачи данных

20

eSATA

–

Протокол передачи данных для внешних устройств и дисков хранения данных (HDD, SSD)

6

USB 3.2 Gen 2 USB 3.2 Gen 2×2 USB 4 Gen. 3.2

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

элементы защиты

компоненты

13

Рис. 1. Разъемы USB, разработанные для различных версий стандарта

Таблица 3. Максимальная скорость передачи данных для различных разъемов USB Скорость передачи данных Тип разъема 480 Мбит/с

5 Гбит/с

10 Гбит/с

Type A

X

X

X

Type B

X

X

X

Mini B

X

Micro B

X

Micro B Superspeed

X

X

Type C

X

X

X

20 Гбит/с

40 Гбит/с

X

X

Для защиты схем, питающихся от линии VBUS, где могут возникать индуцированные всплески напряжения и электростатические разряды (EDS), используют TVS диодные сборки. Версии таких сборок обеспечивают: • способность поглощения до 40 А переходного процесса и до 5 А разряда молнии; • способность выдерживать ±30 кВ разряда электростатики по воздуху и при контакте;

Рис. 3. 4‑канальная TVS диодная сборка с диодом Зеннера для защиты от всплесков напряжения

• максимальный ток утечки не должен превышать 0,5 мкА в схеме 5 В; • миниатюрный SMD-корпус 0201.

а

б

Технология защиты

Функции

Серия

I

Самовосстанавливающиеся предохранители PPTC

Защита линии питания 5 В от перегрузки по току и от высокой температуры

LoRho

II

TVS диодные сборки

Защита линий данных от статического разряда

III

6-канальные TVS диодные сборки

IV

TVS диодные сборки

Преимущества

Особенности

Быстрая реакция, компактное исполнение

Сверхнизкое сопротивление, высокая мощность в SMD-корпусе

SP3019-04HTG SP3400-02UTG

Ограничение всплесков напряжения на безопасном уровне, компактное исполнение

Низкая емкость 0,3 пФ и малый ток утечки 0,01 мкА в корпусе uDFN

Защита линий данных от статического разряда

SP3213-01UTG

Низкая емкость, компактный размер

Сверхнизкая емкость 0,09 пФ, корпус uDFN

Защита линии питания от статического разряда

SP1006-01UTG

Защита от статики без влияния на производительность

Низкий ток утечки100 нА, компактный корпус

Рис. 2. Рекомендованные компоненты для защиты интерфейсов: а) USB 2.0 (480 Mbps); б) USB 3.2 Gen 1×1 (5 Gbps)

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

www.kite.ru

компоненты

14

элементы защиты

CC — канал конфигурации, выводы A5, B5 ESD — электростатический разряд SBU — боковая полоса (Sideband use), выводы A8, B8 Super Speed — выводы A2, A3, A10, A11, B11, B10, B3, B2 USB — Universal Serial Bus USB 2.0 — выводы A6, A7, B7, B6 Vbus — линия питания, выводы A4, A9, B4, B9

Технология

Функции

Серия

Преимущества

setP

Надежная защита от перегрева вне зависимости от передаваемой мощности

Полностью совместима с разъемом Type C

Защита от статики на скоростях USB 2.0

SP3530-01UTG

Компактное исполнение, надежная ESD-защита

Корпус 0201, сверхнизкое сопротивление

TVS диодная сборка

Защита от статики на высоких скоростях

SP3213-01UTG

Интеграция сервисного сигнала в линию передачи данных, надежная защита от статики

Низкая емкость

IV

TVS диодная сборка

Защита от статики

Компактное исполнение

Сертифицировано AEC-Q101, малый корпус

V

TVS диодная сборка

Защита линии питания от статики

Надежная защита контроллера заряда

Сертифицировано AEC-Q101, малый корпус

I

Цифровой индикатор температуры

Защита кабеля и разъема от перегрева

II

TVS диодная сборка

III

SP1006-UTG SPHV24-01ETG

Особенности

Рис. 4. Рекомендованные компоненты защиты для USB 3.2 и USB 4.0 Type C интерфейсов

Для того чтобы защитить линии данных от всплесков напряжения вследствие переходных процессов и не допустить потери данных, рекомендуется применять 4‑канальные TVS диодные сборки. Диодные сборки такой конфигурации приведены на рис. 3. Их основные характеристики: • безопасное поглощение электростатического разряда +22 кВ по воздуху и при контакте, а также –10 кВ по воздуху и при контакте; • минимальное влияние на канал передачи данных, при емкости порядка 0,3 пФ линия–«земля»;

• низкий ток утечки 10 нА, имеющий минимальное влияние на потребление схемы. Таким образом, для защиты USB 2.0 достаточно всего трех компонентов.

Защита интерфейса USB 3.2 Как показано на рис. 2б, интерфейс USB 3.2 состоит из линии VBUS и шести линий данных. Рекомендуется применять тот же тип компонентов защиты от перегрузок по току и всплесков напряжения, что и для интерфейса USB 2.0. Для защиты шести линий данных желательно применять

а

б

Технология

I

шесть дискретных TVS диодных сборок. Такие TVS диодные сборки должны обладать следующими характеристиками: • безопасно поглощать до 40 А пикового тока при переходных процессах; • защита от статического разряда ±18 кВ по воздуху и ±12 кВ при контакте; • ток утечки: не более 20 нА; • малая емкость не выше 0,09 пФ между линиями для минимальных искажений сигнала. Применение раздельных TVS диодных сборок обеспечивает лучшую защиту USB с меньшей емкостью для минимального влияния на передаваемые сигналы.

TVS диодная сборка

Функции

Защита линий данных от статики

Серия

SP1004U-ULC-04UTG

Преимущества

Особенности

Низкая емкость, идеально для высокоскоростных интерфейсов, компактное исполнение

Емкость 0,2 пФ, малое напряжение ограничения 9,2 В при IPP = 2 А (tp = 8/20 мкс) корпус DFN

Рис. 5. Рекомендованная защита для интерфейсов: а) HDMI и DisplayPort; б) eSATA

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

элементы защиты

компоненты

15

Защита высокоскоростного USB 3.2 и USB 4.0 с передачей питания Стандарты USB Gen 21 и выше требует применения разъема Type C. Коннектор Type C имеет плотную компоновку с высокой удельной мощностью. В результате у Type C возникает высокий риск загрязнения пылью, что будет приводить к резистивному замыканию между линиями. При передаваемой мощности до 100 Вт в таких случаях существует высокий риск повреждения разъема и подключаемой схемы. Защита разъема Type C от перегрева, связанного с резистивным замыканием с применением температурного индикатора на линии конфигурации (CC, Configuration Cannel), приведена на рис. 4. С цифровым температурным индикатором на линии CC обеспечивается защита при передаче мощности во всем диапазоне 5–100 Вт (стандарт USB Type C для дополнительной информации о применении тепловой защиты). Для защиты от всплесков напряжения при переходных процессах рекомендуется применять различные версии TVS диодных сборок. Следует выбирать TVS диодные сборки с минимальной емкостью для защиты высокоскоростных линий. Для защиты линии VBUS предпочтительно применять TVS диодные сборки с минимальным током утечки. В том случае, если продукция ориентирована на автомобильный рынок, необходимо выбрать TVS диодную сборку, соответствующую AEC-Q101.

Защита интерфейсов HDMI, DisplayPort и eSATA Схемы защиты интерфейсов HDMI, DisplayPort и eSATA практически не отличаются друг от друга, поэтому будут рассмотрены одновременно. Интерфейс HDMI имеет две составляющие: видеоинтерфейс для передачи видео высокой четкости и аудиоинтерфейс для передачи цифрового аудио. В настоящее время HDMI является де-факто стандартом для телевизоров высокой четкости. Впервые интерфейс HDMI появился в устройствах в 2004 году. Текущая версия HDMI-стандарта — 2.1, которая поддерживает скорость передачи данных до 48 Гбит/с.

DisplayPort был разработан для передачи видео от источника к приемнику, которыми чаще всего являются мониторы персональных компьютеров. Этот интерфейс способен передавать одновременно аудио и видео и призван заменить стандарт VGA. Впервые DisplayPort был представлен в 2006 году. Новейшая версия стандарта 2.0, которая должна быть выпущена до конца текущего года, способна поддерживать скорость передачи данных до 77 Гбит/с. Интерфейс DisplayPort совместим с HDMI. Интерфейс SATA был разработан компанией IBM для IBM AT PC, сегодня он является отраслевым стандартом для дисковых накопителей. Версия eSATA (external SATA) была разработана в 2004 году для поддержки внешних жестких дисков. Защита трех описанных интерфейсов приведена на рис. 5. Для защиты данных интерфейсов применяется четырехканальная TVS диодная сборка, показанная на рис. 6. Характеристики TVS диодной сборки: • сверхнизкая емкость 0,2 пФ, оказывающая минимальное влияние на передаваемый сигнал; • малый ток потребления: 25 нА; • защита от статического разряда: ±20 кВ по воздуху и при контакте; • корпус SOD 883 с минимальными размерами.

Рис. 6. TVS диодная сборка для защиты высокоскоростных линий от всплесков напряжения

Выбирая компоненты защиты известного производителя, вы опираетесь на имеющийся у него опыт и сокращаете время разработки. При этом производитель способен помочь в выборе наиболее эффективного решения по оптимальной цене. Защита от всплесков напряжения при переходных процессах и от перегрузок по току повышает надежность оборудования, а также улучшает репутацию на рынке и сокращает затраты на сервисное обn служивание.

Литература 1. www.allaboutcircuits.com/industry-articles/protect-your-ports-design-tipscommunications-connected-part‑2‑protecting-high-speed-interfaces/ 2. Филлипс Т. Защита портов PoE/PoE++ // Компоненты и технологии. 2021. № 9.

Защита портов передачи данных начинается с выбора компонентов, основным требованием к которым является минимальное искажение передаваемого сигнала. К счастью, для построения эффективной схемы защиты требуется немного таких компонентов.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

Реклама

Заключение

www.kite.ru

компоненты

16

усилители

Усилитель с программноуправляемым коэффициентом усиления обеспечивает функциональную гибкость системы

Хуман Хашеми (Hooman Hashemi) Перевод: Евгений Потемкин eugeny.potemkin@eltech.spb.ru

Несмотря на эффективность и универсальность инструментальных усилителей (ИУ) при взаимодействии с датчиками, существуют определенные ограничения, затрудняющие разработку программируемых ИУ (programmable gain instrumentation amplifiers, PGIA), которые иногда также называют усилителями с программно-управляемым коэффициентом усиления (software programmable gain amplifiers, SPGA). Потребность в подобных устройствах возникает в связи с частой необходимостью адаптировать схему к датчикам различной чувствительности и к широкому спектру внешних воздействующих факторов. В случае с постоянным коэффициентом усиления проектировщику системы приходится мириться с неоптимальным отношением сигнал/шум, что в свою очередь может снижать точность измерений.

М

ногие эффективные методы, позволяющие создавать точные и стабильные программируемые ИУ, обсуждаются в статье [1]. В этой работе также отмечены основные недостатки данной конструкции и представлен подробный обзор существующих решений и технологий. В настоящей статье рассматриваются другие инструменты и методы решения этой задачи, описывается порядок расчета, который позволяет сфокусироваться на номинальных значениях внешних компонентов, необходимых для создания точных программируемых ИУ на основе недавно разработанного инструментального усилителя.

Архитектура нового инструментального усилителя Типовая архитектура инструментального усилителя показана на рис. 1. Коэффициент усиления устанавливается внешним резистором RG. Чтобы создать программируемый ИУ на базе такого устрой-

Рис. 1. Классический инструментальный усилитель

ства, нужно добавить возможность переключения значений RG. Обычно это делается с помощью аналогового ключа или мультиплексора. Однако задача усложняется из-за некоторых нелинейных свойств аналогового ключа — например, сопротивления ключа в открытом состоянии, емкости каналов и отклонения сопротивления каналов в зависимости от подаваемого напряжения. На рис. 2 представлена модификация стандартной архитектуры ИУ. Обратите внимание, что резистор RG имеет индивидуальные выводы ±RG,S и ±RG,F, к которым имеется доступ снаружи корпуса изделия. Важная и полезная особенность архитектуры, представленной на рис. 2, заключается в возможности настраивать ИУ таким образом, чтобы он мог переключаться между различными коэффициентами усиления, при этом минимизируя ошибку усиления за счет конечных сопротивлений переключателя. Именно этот функционал лежит в основе программируемых ИУ.

Рис. 2. Архитектура усилителя LT6372-1 позволяет получить доступ к некоторым внутренним узлам ИУ

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

усилители

компоненты

17

Рис. 3. Мостовой интерфейс программируемого ИУ LT6372-1 с четырьмя вариантами коэффициента усиления

Как уже говорилось, в любом программируемом ИУ коэффициент усиления можно настраивать за счет изменения сопротивления соответствующего резистора. Однако у такого похода есть существенные недостатки: • высокая ошибка усиления из-за номинального значения и разброса сопротивления ключа в открытом состоянии (RON); • высокие значения коэффициента усиления могут быть недостижимы из-за потребности в низких значениях RON; • искажение сигнала из-за нелинейности ключа, которое объясняется тем, что ток сигнала проходит напрямую через сопротивление RON, поэтому любое отклонение его значений, вызванное изменением напряжения, приводит к искажениям. Программируемый ИУ LT6372-1 [2], чья конфигурация представлена на рис. 3, может решить описанные проблемы за счет дифференцированных выводов RG,F и RG,S. Как видно из схемы, к сигналу с измерительного моста, состоящего из резисторов R5–R8, применяется один из четырех возможных коэффициентов усиления, который устанавливается пользователем в зависимости от положения переключателя SW1. Схема расположения выводов в семействе усилителей LT6372 [3] позволяет создавать программируемые ИУ, которые достигают нужных значений коэффициента усиления за счет изменения отношения RF/RG (сопротивления обратной связи к сопротивлению регулирующего усиление резистора). Кроме того, благодаря возможности последовательного подключения аналоговых ключей U1 и U2 к входному каскаду инвертирующего входа и резистору обратной связи, минимизируется ошибка усиления, вызванная сопротивлением RON. При такой конфигурации RON составляет лишь небольшую долю от общего внутреннего сопротивления обратной связи, равного 12,1 кОм, поэтому оказывает слабое влияние на дрейф и ошибку усиления. Аналогичным образом искажения, вызванные нелинейностью ключа, также минимизируют-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

Рис. 4. Структурная схема усилителя LT6372-1 и упрощенное внешнее подключение программируемого ИУ (переключатели усиления не показаны)

www.kite.ru

компоненты

18

усилители

ся благодаря малой доле RON в общем сопротивлении обратной связи, что практически сводит на нет влияние колебаний RON, вызванных перепадами напряжения. Более того, входной каскад данного устройства основывается на архитектуре усилителя с обратной связью по току (CFA), который по своей сути характеризуется меньшей изменчивостью ширины полосы пропускания и скорости передачи данных по сравнению с традиционными усилителями с обратной связью по напряжению1. Все это позволяет создавать прецизионные ИУ с точным шагом усиления, используя недорогие внешние аналоговые переключатели. На рис. 4 представлена упрощенная схема программируемого ИУ и показано, как электрическая цепь конфигурируется различными ступенями резистивной матрицы, образованными с помощью аналоговых переключателей (в количестве 8 штук), попарно замкнутых между собой для установки коэффициента усиления. На схеме два блока переключателей изображены в одном из четырех возможных положений, когда выводы –RG,S и +RG,S замкнуты на узел RF3/RF4.

Порядок расчета сопротивлений внешних резисторов для различных значений коэффициента усиления На рис. 3 показана конфигурация программируемого ИУ, в том числе необходимые переключатели, с помощью которых можно получить сколь угодно большой коэффициент усиления. В данном примере рассматривается четыре различных коэффициента усиления, но число вариантов можно увеличить, добавляя к конструкции дополнительные переключатели. Как уже упоминалось, доступ к выводам RG,F и RG,S позволяет увеличивать значения RF для высоких коэффициентов усиления и снижать значения RG для низких, повышая таким образом функциональную универсальность программируемого ИУ. Для расчета коэффициентов усиления примем, что цепь обратной связи включает внутренний подстроечный резистор сопротивлением 12,1 кОм, а также остальные последовательно соединенные резисторы от RG,F до RG,S. С другой стороны, сопротивление резистора, устанавливающего коэффициент усиления, будет складываться из суммарного сопротивления цепи от +RG,S до –RG,S. Это можно записать в следующем виде: • RF = 12,1 + сопротивление между RG,F и RG,S на каждом из двух входных усилителей; • RG = сопротивление между +RG,S и –RG,S. Данная конфигурация позволяет получать коэффициенты усиления 1–1000 В/В. В случае когда оба ключа U1 и U2 замыкают выводы S3 и D3, имеем следующие значения RF, RG и коэффициента усиления (G): • RF = 12,1+11+1,1 = 24,1 кОм; • RG = 73,2+97,6+73,2 = 244 Ом; • G = 1+2RF/RG = 1+224,1/244 = 199 В/В. Видно, что выбор оптимального сопротивления внешних резисторов представляет собой итеративный процесс, поскольку возможные значения коэффициентов усиления и используемые сопротивления резисторов взаимно зависимы. В качестве справочной информации в таблице приведены некоторые наиболее часто встречающиеся значения, но существует и множество других комбинаций коэффициентов усиления (G). Таблица. Значения сопротивлений компонентов для некоторых комбинаций коэффициентов усиления программируемого ИУ

Методика расчета сопротивлений программируемого ИУ Сопротивления отдельных резисторов в сети усиления можно рассчитать последовательно с помощью формулы (1). Обозначение резисторов в уравнении аналогично рис. 3, в качестве примера расчетов использован вариант 2 из таблицы коэффициентов усиления (2, 20, 200 и 500 В/В). Поскольку резистор обратной связи и резистор, устанавливающий коэффициент усиления, взаимодействуют, формула представляет собой ряд, где каждый последующий член зависит от предыдущего (предыдущих). Сама формула имеет вид:

(1)

где RF1 = 12,1 кОм (внутренний резистор LT6372-1); Gi — значение коэффициента усиления (2, 20, 200 и 500 В/В для G1–G4, соответственно); i — изменяется от 1 до (M–1) для расчета RFi+1; M — число вариантов коэффициента усиления (в нашем случае 4).

RT = (12,1G1)/(G1–1).

(2)

С помощью формулы (1) можно рассчитать сопротивление резисторов обратной связи для любой комбинации коэффициентов усиления. Вспомогательная переменная j выполняет функцию счетчика, который суммирует количество предыдущих (рассчитанных) резисторов обратной связи. Прежде чем приступать к расчетам, рекомендуется нарисовать схему резисторной сборки аналогично тому, как это сделано на рис. 3. В сборке должно быть (2M–1) резисторов, где M — число вариантов коэффициента усиления. В нашем случае M = 4, поэтому в цепочке будет семь резисторов. Выражение (1) должно быть посчитано для i = 1→(M–1): G1 = 2 В/В, G2 = 20 В/В, G3 = 200 В/В, G4 = 500 В/В. По формуле (2) получаем:

RT = (12,12)/(2–1) = 24,2 кОм.

(3)

Выполним итерационные расчеты по формуле (1) для i = 1→(M–1):

i = 1 → RF2 = (24,2–12,1)(1–1/20) → RF2 = 10,89 кОм, i = 1 → RF3 = (24,2–(12,1+10,89))(1–20/200) → RF3 = 1,089 кОм,

i = 1 → RF4 = (24,2–(12,1+10,89+1,089))(1–200/500) → RF4 = = 72,6 Ом.

(4) Сопротивление центрального резистора RG можно рассчитать по формуле:

(5)

Таким образом, мы рассчитали все четыре значения сопротивлений из таблицы.

Вариант

RF2, кОм

RF3, кОм

RF4, кОм

RG, кОм

G1

G2

G3

G4

1

6

4,5

1,1

0,756

2

4

16

64

2

10,9

1,1

0,0726

0,097

2

20

200

500

3

8,6

6,1

4,3

20,8

1,4 (3 дБ)

2 (6 дБ)

2,8 (9 дБ)

4 (12 дБ)

1 В CFA-усилителях ширина полосы пропускания при замкнутой цепи обратной связи обратно пропорциональна сопротивлению обратной связи (RF), тогда как в традиционных усилителях с обратной связью по напряжению ширина полосы обратно пропорциональна коэффициенту усиления (RF/RG).

Графики рабочих характеристик программируемого ИУ На рис. 5, 6 представлены графики рабочих характеристик, которые могут быть достигнуты для данной конфигурации программируемого ИУ.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

усилители

Рис. 5. Частотная характеристика программируемого ИУ в режиме большого сигнала

компоненты

19

Рис. 6. Зависимость коэффициента подавления синфазного сигнала от частоты

дение наблюдается только при низком усилении, когда полоса пропускания LT6372-1 становится настолько широкой, что на нее начинает оказывать влияние емкость переключателя порядка пикофарад. Чтобы обойти этот побочный эффект, можно выбрать переключатель меньшей емкости (например, ADG611/ADG612/ADG613 емкостью 5 пФ) или ограничить минимальный допустимый коэффициент усиления программируемого ИУ.

Заключение В статье представлен способ добавления ИУ возможности выбора коэффициента усиления за счет использования особенностей схемы расположения выводов недавно разработанного семейства усилителей LT6372. Были проанализированы характеристики подобных программируемых ИУ, подробно описан порядок расчета сопротивлений и измерение рабочих показателей. Инструментальный усилитель LT6372-1 — это не имеющее аналогов решение данной проблемы, отличающееся высокой линейностью, а также точностью характеристик по постоянному току и рабочих показателей. n Рис. 7. Появление максимума при низком коэффициенте усиления программируемого ИУ в режиме малого сигнала

1. www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/programmable-gaininstrumentation-amplifiers-finding-one-that-works-for-you.html 2. www.analog.com/en/products/lt6372-1.html 3. www.analog.com/en/search.html?q=LT6372

Реклама

Ввиду емкости переключателя ADG444, при минимальном коэффициенте усиления (G1 = 2 В/В) в режиме малого сигнала на частотной характеристике наблюдается резкий максимум (рис. 7). Данное пове-

Литература

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

www.kite.ru

компоненты

20

источники питания

Пиковая и средняя мощность: как выбрать источник питания правильно

Стив Робертс (Steve Roberts) Дополнения: Владимир Рентюк

Н

ередко при выборе источника питания инженеры сильно перестраховываются и выбирают его с двукратным запасом по мощности — например, при реальном потреблении в 5 Вт используют более дорогой и более габаритный 10‑Вт. Такой выбор обоснован определенным коэффициентом безопасности, а не только резервом для дополнительной нагрузки или последующего добавления функций, в частности масштабирования. Часто это делается безосновательно, по принципу «в жизни всякое бывает и очень часто» или «все так делают», особенно если раньше обжигался

Один из вопросов, требующих решения на самых ранних этапах, звучит примерно так: какая концепция электропитания будет использована в проекте? Затем, когда основные узлы (каскады) спроектированы и их энергопотребление известно, необходимо сделать выбор конкретной реализации системы электропитания под ранее выбранную концепцию. И здесь разработчик сталкивается с дилеммой, какой вариант источника питания выбрать: мощный и переплатить или более доступный, но меньший по мощности, а значит, в случае чего исключающий свободу для маневра. В этой статье компании Recom представлен анализ ситуации и предлагается решение.

на молоке, то начинаешь дуть и на воду. Если и резерв для дополнительной нагрузки, например в случае масштабирования системы, реален, это, несомненно, достаточно веский аргумент, однако такой подход не всегда рационален и эффективен. Рассмотрим для примера типичный график зависимости КПД от нагрузки для 10‑Вт модуля AC/DC-преобразователя RAC10-12SK/277 компании Recom [1], представленный на рис. 1. Зависимость КПД в диапазоне нагрузок более 20% выглядит плоской кривой, однако при потреблении 5 Вт КПД в зависи-

Рис. 1. График зависимости КПД от нагрузки для 10‑Вт AC/DC-преобразователя RAC10-12SK/277 компании Recom

мости от напряжения на входе изменяется в пределах 77–81% (рис. 1, оранжевая линия). При 100%-ной нагрузке КПД составляет 83% независимо от напряжения питания (рис. 1, голубая линия). Различие может показаться несущественным, однако экономия 6% в потерях, которые перейдут в тепло, уже является значимой величиной. При замене модуля RAC10-12SK/277, например на меньший по габаритам и более дешевый RAC05-12SK/277 мощностью 5 Вт [2], его КПД будет уже постоянным, независимо от входного напряжения, поскольку мы находимся в рабочей точке 100%-ной нагрузки (рис. 2).

Рис. 2. График зависимости КПД от нагрузки для 5‑Вт AC/DC-преобразователя RAC05-12SK/277 компании Recom

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

источники питания

компоненты

21

Рис. 3. Расчет пиковой мощности для 5‑Вт AC/DC-преобразователя RAC05-12SK/277 компании Recom

Еще раз обратим внимание, что габаритные размеры и стоимость 5‑Вт модуля RAC05-12SK/277 значительно меньше, а это приводит к дополнительной экономии, то есть мы имеем выигрыш не только от меньших потерь, но и меньшего выделения тепла.

Пиковая и средняя мощность А что по поводу пиковой мощности? Как источник, в наихудшем сценарии работающий в режиме постоянной потребляемой мощности, справится с кратковременными перегрузками? Ключевой фразой является «наихудший сценарий» — во время нормальной работы нагрузка обычно меньше. Даже если конвертер функционирует при постоянной большой мощности, он сможет выдержать кратковременную перегрузку, поскольку конструктивно имеет запас на тепловыделение в режиме работы с перегрузкой. Например, в документации на RAC05-12SK/277 дается расчет для определения максимально допустимой мощности, представленный на рис. 3 [2]. Важным показателем здесь является PP — пиковая выходная мощность. Для модуля RAC05‑12SK/277 номинальная составляет 5 Вт, хотя он может выдавать и 6 Вт без срабатывания защиты от перегрузки. Для перегрузки менее 120% от номинальной ключевым моментом является внутренняя температура компонентов модуля. Если давать преобразователю достаточное время для охлаждения между перегрузками, он способен без сбоев работать в режиме многократных циклических перегрузок, поддерживая стабильное напряжение на выходе. При кратковременных, но более существенных превышениях мощности для обеспечения выходного тока и недопущения срабатывания защиты от перегрузки можно установить внешний конденсатор. Такой прием целесообразно использовать для

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

Рис. 4. Типичный профиль потребления при питании датчика с беспроводным подключением к сети

микроконтроллерных устройств с беспроводным подключением, где пиковый ток во время передачи достигает больших значений, однако средняя потребляемая мощность остается на значительно более низком уровне (рис. 4). В данном случае модуль питания выбирают исходя из средней, а не пиковой мощности. Выше мы рассматривали только AC/DCпреобразователи, но и для DC/DC-преобразователей можно применить аналогичный подход. Основное отличие состоит лишь в том, что DC/DC-преобразователи созданы для продолжительной работы в диапазоне 80–100% от номинальной нагрузки, а их КПД при меньших нагрузках сильно снижается. Следовательно, работа на малых выходных токах вовсе не означает, что такой преобразователь меньше греется. Как правило, здесь вообще следует избегать подхода с большим запасом по мощности и использовать, например, 10‑Вт DC/DC-преобразователь при 5‑Вт нагрузке, хотя иногда нет другого способа обеспечить необходимый диапазон рабочих температур, принимая во внимание деградацию выходной мощности при росте температуры (deraiting). Так, серия DC/DC-

преобразователей RS12‑Z [3] обеспечивает 12 Вт в компактном корпусе SIP8 габаритами 21,812,89,6 мм. В условиях естественной конвекции и при номинальном напряжении питания 24 В преобразователь RS12‑Z обеспечивает 100%-ную выходную мощность до температуры +75 °C, с ее снижением на 50% при +85 °C. Таким образом, снижение нагрузки в два раза вызвано лишь дополнительными +10 °C к температуре окружающей среды, поскольку конвертер больше не работает в режиме максимального КПД (рис. 5). Следует отметить, что 6‑Вт модель в корпусе SIP8 обеспечивает работу в полном промышленном диапазоне температур –40…+85 °C без снижения выходной мощности, что значительно лучше, чем решения конкурентов, где необходимо использовать принудительное охлаждение, то есть вентилятор, со всеми сопутствующими проблемами.

Защита от перегрузки по току Множество бюджетных AC/DC- и DC/DCпреобразователей оснащено простейшей защитой от перегрузки по току, основанной на измерении падения на внутреннем шунте (рис. 6). www.kite.ru

22

компоненты

источники питания

Рис. 5. График зависимости КПД от нагрузки для 5‑Вт DC/DC-преобразователя RS12-2412SZ компании Recom и график снижения номинальной мощности в зависимости от температуры

Минимизация габаритных размеров (а для понижающего преобразователя увеличение частоты уменьшает как катушку индуктивности, так и выходной конденсатор) приводит к уменьшению запаса при возникновении перегрузки. С этой целью шунт обычно встраивается в основной кристалл вместе с управляющим импульсным контроллером и имеет более жесткие пределы, что дает меньшее изменение пороговых значений тока. Кроме того, в большинстве импульсных контроллеров используется мониторинг значения тока в каждом цикле переключения по точному сигналу с компаратора, а не на основе неточного значения напряжения перехода VBE. В результате при возникновении перегрузки или короткого замыкания схема отключается практически мгновенно. Исходя из этого импульсные стабилизаторы необходимо выбирать, учитывая пиковый, а не средний ток в нагрузке.

Заключение

Рис. 6. Защита от перегрузки по току (при падении более 0,7 В n‑p‑n‑транзистор открывается и, замыкая затвор полевого транзистора на общий провод, выключает его)

Данная схема защиты достаточно эффективна и просто реализуема, однако имеет широкий предел по срабатыванию из-за допусков шунтирующего резистора и порогового напряжения базаэмиттер VBE срабатывания n‑p‑n‑транзистора. Значения компонентов рассчитываются на поддержание работы при 100%-ной нагрузке и максимальной рабочей температуре. Однако это дает 140%-ный порог отключения при комнатной температуре. Тем не менее подобные конвертеры надежно функционируют при полной нагрузке и имеют необходимый запас для работы в режиме перегрузки. Исключением здесь становятся импульсные стабилизаторы в виде неизолированных DC/DC-преобразователей, обычно действующие при значительно больших частотах переключения.

Ориентир на пиковое потребление и создание большого запаса при выборе AC/DC- или DC/DC-преобразователя — это неэффективный подход, который может привести к выбору излишне мощного компонента, чем реально необходимо. Принимая во внимание среднюю нагрузку и наихудший случай пикового потребления, можно выбрать оптимальное решение, обеспечивающее стабильное напряжение питания при меньших затратах. Однако если при принятии решения возникают сомнения, технические специалисты компании Recom [4] готовы провести консультации и помочь сделать оптимальный выбор для конкретного проекта. Слоган компании Recom “We Power Your Products” имеет два варианта перевода: «Мы питаем ваши продукты» и «Мы приводим ваши продукты в действие». Оба они верные. n

Литература 1. RAC10‑K/277 10 Watt 2″1″ Single and Dual Output, RECOMREV. 8/2020. www.recom-power.com/pdf/Powerline_AC-DC/RAC10‑K_277.pdf 2. RAC05‑K/277 5 Watt Single Output, RECOM REV. 4/2020. www.recom-power.com/pdf/Powerline_AC-DC/RAC05‑K_277.pdf 3. RS12‑Z 12 Watt SIP8 Single Output, RECOM REV. 1/2020. www.recom-power.com/pdf/Econoline/RS12.pdf 4. www.recom-power.com

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

источники питания

компоненты

23

Питание датчиков для систем технического обслуживания по состоянию

Стив Робертс (Steve Roberts)

Р

азвивающийся мир движется ко все большему уровню промышленной автоматизации, наращивая объемы выпуска при меньших затратах и расширяя универсальность современных продуктов. Сегодня многие объекты инфраструктуры, например центры данных или распределительные склады, ставят перед собой цель работать при выключенном свете с минимальным вмешательством человека и долей ручного труда, благодаря таким технологиям, как «Индустрия 4.0» или промышленный «Интернет вещей», что становится частью процесса, при котором мониторинг и контроль проводятся там, где это необходимо для быстрого реагирования. Сюда же можно отнести и сеть связи между датчиками, исполнительными элементами и центральным пультом. Такой подход может быть реализован и с помощью облачных технологий, где происходит сбор и анализ данных, использующихся для алгоритма оптимизации на «умных» предприятиях. Преимущества «умных» производств многочисленны, что приносит немалую экономию ресурсов и энергозатрат. Но что, если что-то пойдет не так? Мы не рассматриваем вопрос «восстания машин», речь идет о простой механической поломке, либо о единичном сбое в узле процессора от воздействия

Эффективное обслуживание сложных промышленных процессов — ключевой фактор для поддержания высокой производительности и снижения затрат. Техническое обслуживание по необходимости (Condition-Based Maintenance, CBM) является альтернативой регулярному плановому техническому обслуживанию, при котором используются данные с датчиков сетей промышленного «Интернета вещей» для распознавания тенденции к снижению производительности, происходящей перед сбоем. В статье не только обсуждается данная проблематика, но и даются рекомендации по выбору модулей питания таких датчиков.

излучения, либо об одном из множества других случайных отказов. Срок эксплуатации большой части электрифицированной инфраструктуры в мире превышает 25 лет, поэтому увеличение количества отказов вызывает вполне понятное беспокойство. Хотя разработчики и включают резервирование критически важных элементов для компенсации единичных или даже двойных отказов в зависимости от приложения и производят оценку используемых компонентов с большим запасом для увеличения надежности, тем не менее износ является данностью любой механической и даже электронной системы — ведь конденсаторы высыхают, ограничители перенапряжений выходят из строя, а в полупроводниках накапливаются со временем дефекты кристаллической решетки.

Техническое обслуживание никто не отменял В теории можно просто дождаться неисправности и устранить ее по факту, руководствуясь принципом «работает — не трогай», но неисправности могут возникнуть в любое время. Такое корректирующее обслуживание является вполне применимым методом для некритичных функций, например перегоревших светодиодов в матрице или в си-

стемах с многократным резервированием, о которых мы уже упоминали. Мониторинг становится ключевым моментом, поскольку необходимо четко понимать, что произошел отказ. Обслуживающий персонал должен быть наготове, возможно и в режиме «247», как говорится, на всякий случай. Для большинства процессов наилучшим способом считается проведение периодического профилактического обслуживания и проверок. Для простой системы это может быть регулярная замена фильтров и масла, проверка и очистка подшипников, а также их регулировка для компенсации износа. В электронике — замена старых предохранителей, ограничителей напряжения и электролитов. Тут возникает сложная дилемма: слишком частая замена приводит к ненужному расходу как материалов, так и затрат на рабочую силу, а редкая может стать причиной отказов. Таким образом, расчет периодичности является сложной задачей, где принимается во внимание прошедшее время работы, характер использования, а зачастую интуиция и опыт играют не последнюю роль. Для систем, где работоспособность становится ключевым фактором, обычно проводится анализ режимов, последствий и критичности отказов (Failure Modes and Effects and Criticality Analysis, FMECA), чтобы понять, как часто происходят отказы и как они влияют на весь процесс. При таком анализе можно планировать наличие запасных частей заранее, а работы проводить в удобное время.

Техническое обслуживание по состоянию В больших и сложных процессах достаточно сложно планировать профилактическое обслуживание, поэтому используется альтер-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

www.kite.ru

24

компоненты

нативный метод — техническое обслуживание по состоянию (CBM). Это оптимальный вариант, при котором производится замена или настройка при фактически измеренном сроке службы. При этом необходимо знать текущее состояние детали, даже если она работает безупречно, но уже начался процесс износа. Например, масляный фильтр утратил пропускную способность на 10%, а при 50% его производительность уже считается неприемлемой. По характеру работы данное состояние будет достигнуто за 10 недель, соответственно, менять надо заранее, например через 8 недель. Аналогичным образом, анализируя характер вибраций двигателя или механизма в режиме реального времени и экстраполируя результаты, можно судить о времени отказа подшипника. Для измерения и оценки работы можно измерять уровень технологических жидкостей, характеристик и вибраций, определять температуру с помощью бесконтактного ИК-измерения, прозрачность масла, характеристики тока и напряжения в цепях питания, проводить ультразвуковую диагностику утечек, определять наличие озона (оценка искрения и возникновения разрядов) и многие другие факторы. При применении данного подхода к уже работающим системам стоимость первоначальных затрат для организации столь сложного мониторинга может быть блокирующим фактором, однако долгосрочная экономия может оказаться решающим аргументом. К счастью, внедрение систем промышленного «Интернета вещей» предоставляет множество данных, которые можно использовать и для CBM-анализа. Дополнительные датчики для измерений процесса, необходимые для CBM, обычно легко установить в систему. По своей природе данные, требующиеся для CBM, изменяются медленно, поэтому их передача (как беспроводная, так и по линиям связи) и обработка добавляет незначительные расходы в общую стоимость системы промышленного «Интернета вещей». Сравнение различных подходов в техническом обслуживании приведено на рис. 1.

Для системы CBM необходимо надежное питание для датчиков Питание удаленных датчиков и интерфейсов может быть обеспечено узлами IIoT (Industrial Internet of Things) от шины DC, аккумуляторов, модулей сбора энергии или от AC/DC-конвертера. Сами датчики, узлы систем IIoT и модули питания могут находиться в жестких условиях эксплуатации изза бросков напряжения от мощного оборудования, поэтому необходимо обеспечивать гальваническую изоляцию как DC-, так и ACисточников. Кроме того, функция мониторинга должна поддерживать надежную работу даже при деградации основного процесса, возможно, при более высоких температурах

источники питания

Рис. 1. Влияние типа технического обслуживания на надежность и производительность

и уровнях вибрации, поскольку оборудование, обеспечивающее процесс CBM, должно функционировать без дополнительного обслуживания и иметь продолжительный срок эксплуатации. Поэтому надежность имеет решающее значение, а уровень КПД должен быть высок, чтобы уменьшить потери энергии и исключить сокращение срока службы от самонагрева. Примером изолированного DC/DCконвертера с высокой температурой окружающей среды (максимально +140 °C) служит серия RxxCT (E)xx от компании RECOM, обеспечивая 0,5 или 1 Вт выходной мощности при 3,3 или 5 В на выходе и 5 В на входе в низкопрофильном корпусе SOIC‑16. Выходные напряжения подходят для большинства активных датчиков, микроконтроллеров и цифровых сигнальных процессоров. При использовании изолированных интерфейсов CANBus, MODBus или PROFIBus обеспечивается усиленная гальваническая изоляция 5 кВ AC (опционально 3 кВ AC для приложений с более мягкими требованиями). Если напряжение доступного источника меняется в широких пределах, например от солнечной батареи, необходим стабилизированный DC/DC-конвертер. Обычный линейный регулятор является неприемлемым решением из-за малого КПД, дополнительно расходуя аккумулятор. Серия R‑78Exx‑1.0 компании RECOM с КПД, достигающим 97%, — это оптимальный модульный им-

пульсный регулятор для решения данной задачи, в том числе при питании от солнечных батарей или на подвижном оборудовании (мониторинг состояния подшипников на осях ЖД-транспорта). Компактные AC/DC-конвертеры зачастую становятся удобным решением для обеспечения электропитания от сети, обычно с номиналом до 277 В AC. Модули могут быть объединены с набирающей популярность шиной IO-Link для промышленных датчиков, которая имеет двунаправленный последовательный интерфейс и стандартные разъемы M12. Для питания необходимо напряжение 24 В, а максимальная нагрузка составляет 410 мА на узел, поэтому серии AC/DC-модулей на плату компании RECOM RAC10, RAC20 и RACM40 мощностью до 40 Вт закрывают потребности до четырех портов IO-Link. Например, маломощная серия RAC03 может быть использована для контроллера процесса со встроенным беспроводным подключением и удаленного мониторинга превышения температуры. Пример, показанный на рис. 2, может быть реализован в габаритных размерах примерно 402525 мм. Информация о технологическом процессе необязательно ограничена лишь температурой, можно встроить датчик акустического шума, скорости потока, газоанализатор и т. д. Часто температурные ИК-датчики, сенсоры утечки газа и акустического шума уста-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

источники питания

Рис. 2. Компактный AC/DC-конвертер для питания датчика, микроконтроллера и двунаправленной беспроводной связи

зи (5G, NB-IoT, GSM и т. д.). Потребляемая мощность обычно не высока, поэтому 5‑Вт модуль, устанавливаемый на плату, например RECOM RAC05‑K/277, будет отличным выбором. Для обеспечения максимальной автономности некоторые узлы и датчики запитыва-

25

ются от модулей сбора энергии. Это может быть солнечный свет, акустические, электромагнитные, вибрационные или температурные градиенты. Напряжение на выходе источника может быть низким, поэтому необходим эффективный модуль преобразования для повышения напряжения до уровня, требующегося для питания процессора или датчика. RECOM REH‑3-31.8 специально разработан для таких задач и действует при входном напряжении от 50 мВ для поддержания двойного выхода 3,3/1,8 В. REH‑3-31.8 включает функцию отслеживания точки максимальной мощности (MPP) для работы от фотоэлементов и может быть соединен с батареей или суперконденсатором для хранения накопленной энергии. Так называемое техническое обслуживание по условиям — это оптимальный способ поддержания процесса в рабочем состоянии с наименьшими затратами, который удобно интегрируется в концепцию промышленного «Интернета вещей». Надежные и бюджетные преобразователи питания являются ключевым элементом систем CBM, а ассортимент продукции, выпускаемой компанией RECOM, полностью удовлетворяет всем требованиям приложений. n

Реклама

навливаются на потолке помещений, а питание обеспечивается от линии освещения 115, 230 или 277 В AC (напряжение фаза-нейтраль в 3‑фазных системах 480 В). Передача данных может осуществляться по протоколу LPWAN дальнего действия (LoRa, sigfox, KNX-RF и т. д.) или по сетям сотовой свя-

компоненты

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

www.kite.ru

компоненты

26

интерфейсы

Оптимизация шины FieldBus поможет совершенствовать интеллектуальные системы

Неил Куинн (Neil Quinn) Ричард Анслоу (Richard Anslow) Перевод: Михаил Русских tau68@rambler.ru

Экспертные организации в промышленной отрасли, такие как PROCENTEC, стимулируют стремительное распространение технологии шины FieldBus на основе RS‑485 (PROFIBUS) и промышленного Ethernet (PROFINET). В 2018‑м во всем мире был установлен 61 млн узлов полевой шины PROFIBUS, благодаря которой степень автоматизации процессов ежегодно увеличивается на 7%. Кроме того, в мире действует 26 млн узлов PROFINET, причем только в 2018 году установлено 5,1 млн устройств [1].

Введение Учитывая постоянно расширяющееся распространение промышленной шины RS‑485 и ускорение реализации концепций «Индустрии 4.0» для создания интеллектуальных фабрик с всеобъемлющей сетевой связью, можно заключить, что оптимизация технологий шины FieldBus позволит создавать такие интеллектуальные системы. Усовершенствованные промышленные шины должны быть устойчивы к сильным электромагнитным помехам и характеризоваться надежной передачей данных, в противном случае может ухудшиться качество работы всей системы. В системах управления движением механизмов полевые шины обычно предназначены для управления положением одноосных или многоосных электродвигательных систем с обратной связью. В таких системах передача данных осуществляется на высоких скоростях по длинным кабелям, как показано на рис. 1. Если система управления положением нестабильна, то снижается не только каче-

ство работы самого промышленного механизма, но и производительность предприятия. В системах беспроводной инфраструктуры полевая шина обычно используется для управления наклоном/положением антенны, поскольку важно поддерживать высокую точность передачи данных. Как в системах управления движением механизмов, так и в системах инфраструктуры беспроводной связи требуются различные уровни защиты от электромагнитных помех (рис. 1). Системы управления движением механизмов, как правило, работают в электрически зашумленной среде, из-за чего могут возникать ошибки передачи данных. При этом следует предохранять беспроводную инфраструктуру от непрямых ударов молнии в незащищенной среде. Для реализации таких систем с высокими требованиями к надежности необходимо тщательно изучить временные характеристики приемопередатчиков RS‑485 при посылке сигналов по длинным кабелям, что позволит гарантировать надежность системы и соответствующий уровень электромагнитной совместимости. В статье представлены некоторые ключевые концепции определения временных характеристик системы и принципы передачи данных по длинным кабелям, приводятся основные показатели, влияющие на рабочие характеристики системы, в том числе параметры распределения тактовых сигналов и данных и параметры согласования передачи данных по кабелю, также показаны преимущества приемопередатчиков RS‑485 нового поколения ADM3065E/ADM3066E в промышленных системах.

Временные характеристики При рассмотрении вопроса об организации надежной передачи данных на высоких скоростях по длинным кабелям шины RS‑485 важны и такие временные характеристики, как джиттер (дрожание фазы) и смещение сигнала во времени; эти параметры не менее значимы и при передаче данных по интерфейсу LVDS. В случае с шиной RS‑485 необходимо учитывать джиттер и смещение сигнала во времени, вносимые приемопередатчиком RS‑485 и кабелем системы.

Джиттер и смещение сигнала во времени

Рис. 1. Электромагнитная совместимость, скорость передачи данных и длина кабеля в системах с шиной RS‑485

Джиттер можно количественно определить как ошибку временного интервала, то есть как разницу между ожидаемым временем перехода сигнала из одного состояния в другое и временем фактического осуществления такого перехода. В канале связи имеются различные

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

интерфейсы

Рис. 2. Ошибка временного интервала, джиттер и глазок

факторы, влияющие на джиттер. Каждый из них может быть в общих чертах охарактеризован по своей природе как случайный или детерминированный. Случайный джиттер определяется по его гауссовскому распределению, и он возникает в том числе из-за теплового шума и широкополосного дробового шума в микросхеме. На детерминированный джиттер влияют источники в системе связи — например, искажение коэффициента заполнения, перекрестные помехи, периодические внешние источники шума или межсимвольные помехи. В системах связи с шиной стандарта RS‑485 скорости передачи данных ниже 100 МГц, поэтому детерминированные факторы, влияющие на джиттер, преобладают над случайными факторами. Размах джиттера является полезным параметром для измерения суммарного джиттера системы, возникающего вследствие влияния детерминированных источников. Размах джиттера можно определить во временной области, наложив большое количество переходов сигнала на одну и ту же диаграмму (глазковую диаграмму). Такое наложение можно реализовать на дисплее осциллографа с использованием функции бесконечного послесвечения или с помощью встроенного в осциллограф программного обеспечения для разложения джиттера, как показано на рис. 2. Ширина наложенных переходов и является размахом джиттера, а открытая область между ними называется глазком. Этот глазок представляет область, доступную для считывания приемным узлом на дальнем конце длинного кабеля RS‑485. Чем больше ширина глазка, тем шире окно считывания для принимающего узла, что уменьшит риск неправильного приема бита. Ширина глазка в первую очередь зависит от детерминированных факторов, влияющих на джиттер, которые могут создавать драйвер и приемник на шине RS‑485, а также соединительный кабель. На рис. 3 представлены различные источники джиттера в сети связи. В системах связи с шиной RS‑485 есть два ключевых фактора, воздействующих на временные характеристики, — это смещение во времени импульсов приемопередатчика и межсимвольные помехи. Смещение импульсов, известное также как искажение ширины импульса или искажение коэффициента заполнения, представляет собой форму детерминированного джиттера, вносимого приемопередатчиками в передающих и приемных узлах. Смещение импульса во времени определяется как разница в задержке распространения между передним и задним фронтами сигнала. В дифференциальной линии связи подобное смещение приводит к возникновению асимметричной точки пересечения и несоответствию между длительностью передаваемых нулей и единиц. В системе распределения тактовых импульсов чрезмерное смещение импульсов во времени проявляется как искажение коэффициента заполнения передаваемых тактовых импульсов. В системе распределения данных такая асимметрия увеличивает размах джиттера, наблюдаемый на глазковой диаграмме. В обоих случаях чрезмерное смещение импульсов во времени ухудшает качество передачи сигналов по шине RS‑485, уменьшает доступное окно считывания и снижает рабочие характеристики всей системы.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

компоненты

27

Межсимвольные помехи возникают, когда на время появления фронта сигнала влияет последовательность данных, прошедших через этот фронт. Влияние межсимвольных помех становится заметным в системах с более длинными кабелями, из-за чего межсимвольные помехи становятся важным фактором, определяющим качество передачи данных в сетях на основе шины RS‑485. В длинных кабельных проводах формируется постоянная времени RC-цепи потому, что в таких случаях емкость кабеля не полностью достигает полного заряда к концу одного битового периода. В системах, в которых передаваемые данные состоят только из тактовых импульсов, данная форма межсимвольных помех отсутствует. Межсимвольные помехи могут быть вызваны и несоответствием импеданса кабельной линии передачи, вследствие влияния шлейфов линии или неправильного использования оконечных резисторов. Приемопередатчики RS‑485 с высокой выходной мощностью могут минимизировать влияние межсимвольных помех, поскольку им требуется меньше времени для зарядки нагрузочной емкости кабеля RS‑485. Процент допустимого размаха джиттера существенно зависит от применения, и, как правило, величина 10% является допустимой при испытаниях комбинации приемопередатчика RS‑485 и характеристик кабеля. Сочетание большого джиттера и смещения импульсов во времени значительно сокращает возможности правильного считывания данных приемопередатчиком RS‑485 и приводит к увеличению вероятности возникновения ошибок передачи данных. В правильно согласованных сетях передачи данных использование приемопередатчика, оптимизированного для минимизации смещения импульсов во времени и межсимвольных помех, повышает надежность канала связи.

Приемопередатчик RS‑485 и влияние кабеля В стандарте TIA‑485‑A/EIA‑485‑A [3] шины RS‑485 приведены допустимые рабочие характеристики передатчиков и приемников RS‑485, в том числе дифференциальное выходное напряжение, характеристики при коротком замыкании, синфазная нагрузка, а также пороги и диапазоны входного напряжения. Временные характеристики шины RS‑485, в частности смещение импульсов во времени и джиттер, не указаны в стандарте TIA‑485‑A/EIA‑485‑A, они оптимизируются производителями микросхем с учетом технических характеристик продукта. В других стандартах, таких как, например, телекоммуникационный стандарт для кабелей с витой парой TIA‑568‑B.2/EIA‑568‑B.2 [4], указана основа для определения влияния переменных и постоянных сигналов, распространяемых в кабеле, на качество сигнала шины

Рис. 3. Основные факторы, влияющие на джиттер в сетях связи RS‑485

www.kite.ru

28

компоненты

интерфейсы

Рис. 4. Джиттер ADM3065E при передаче тактовых импульсов

RS‑485. В этом стандарте приводятся рекомендации и процедуры испытаний, необходимых для измерения джиттера, смещения импульсов во времени и других временных характеристик с установленными пределами. Так, максимально допустимое смещение импульсов по времени в кабеле категории 5e составляет 45 нс на 100 м. В рекомендации по применению AN‑1399 компании Analog Devices более подробно рассматривается стандарт TIA‑568‑B.2/EIA‑568‑B.2 и последствия использования неидеальных кабелей на рабочие характеристики системы. Хотя доступные стандарты и техническая документация на компоненты служат хорошими источниками полезной информации, для получения актуальных временных характеристик системы требуется провести измерения параметров приемопередатчика RS‑485 при его работе в сети с длинным кабелем.

Организация более быстрой передачи данных на более далекие расстояния с помощью RS‑485 Приемопередатчик ADM3065E отличается сверхмалым смещением импульсов во времени при приеме и передаче, что делает это устройство идеальным вариантом для прецизионной передачи тактовых сигналов, которые в основном используются в протоколах кодирования данных датчиков положения электродвигателей, в частности EnDat 2.2 [5]. Уровень детерминированного джиттера приемопередатчика ADM3065E составляет менее 5% при передаче данных в системе управления двигателями со стандартной длиной кабеля (рис. 4, 5). Благодаря широкому диапазону питания, ADM3065E с такими превосходными временными характеристиками может использоваться в системах с шинами питания 3,3 или 5 В. Помимо качественной передачи тактовых импульсов, временные характеристики ADM3065E обеспечивают надежную передачу данных с высокой скоростью и минимальным джиттером. На рис. 6 показано, что при использовании ADM3065E требования к временным характеристикам, которые, как правило, предъявляются к оборудованию сетей передачи данных на основе RS‑485, значительно смягчаются. Стандартные приемопередатчики RS‑485 обычно рассчитаны на работу с джиттером 10% или менее. ADM3065E может работать со скоростью более 20 Мбит/с в сетях с длиной кабеля до 100 м и при этом поддерживать уровень джиттера 10% на принимающем узле. Благодаря столь низкому уровню джиттера сокращается риск неправильного считывания данных принимающим узлом и существенно повышается надежность передачи, что ранее было недостижимо при использовании стандартных приемопередатчиков RS‑485. В системах, в которых принимающий узел мо-

Рис. 5. Глазковая диаграмма ADM3065E при приеме: тактовые импульсы с частотой 25 МГц, переданные по кабелю длиной 100 м

жет работать с уровнями джиттера до 20%, этот приемопередатчик способен действовать со скоростями передачи данных до 35 Мбит/с на 100‑метровых участках кабеля. С учетом таких временных характеристик приемопередатчик ADM3065E может считаться оптимальным вариантом для применения в качестве интерфейсного средства для связи с энкодерами в системах управления двигателями. В рамках каждого пакета, передаваемого с использованием протокола EnDat 2.2, данные передаются синхронно со спадами тактовых импульсов. На рис. 7 показано, что стартовый бит (или биты) начинает передачу данных от энкодера обратно в ведущий контроллер после начального вычисления абсолютного положения (TCAL). Последующие биты ошибок (F1, F2) устанавливаются, когда неисправность энкодера может привести к получению неправильных значений положения. В итоге энкодер передает значение абсолютного положения в поле данных, начинающееся с бита LS, после которого следуют данные. Целостность тактовых сигналов и сигналов данных имеет решающее значение для успешной передачи информации о положении и об ошибках по длинным кабелям, при этом уровень джиттера должен составлять 10% и менее, как определено в стандарте EnDat 2.2. В EnDat 2.2 приводятся максимальные рабочие характеристики при передаче данных с тактовой частотой 16 МГц по кабелю длиной 20 м. На рис. 4 пока-

Рис. 6. Уровни джиттера приемного узла приемопередатчика ADM3065E

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

интерфейсы

компоненты

29

Рис. 7. Физический уровень и протокол EnDat 2.2 с синхронизацией тактовых импульсов/данных (адаптированные схемы из документации на стандарт EnDat 2.2)

зано, что ADM3065E может работать при указанных характеристиках с уровнем джиттера, составляющим лишь 5%, а на рис. 6 видно, что ADM3065E отвечает требованиям к джиттеру в условиях передачи данных, при которых стандартные приемопередатчики RS‑485 не удовлетворяют этим требованиям.

Высокая надежность передачи данных по длинным кабелям В стандарте TIA‑485‑A/EIA‑485‑A [3] приведено требование об использовании соответствующих драйверов шины RS‑485 для генерации дифференциального напряжения VOD с амплитудой не менее 1,5 В в полностью загруженной сети. Такая амплитуда напряжения VOD обеспечивает запас на падение напряжения на 1,3 В при передаче данных по длинным кабелям, при этом приемники RS‑485 рассчитаны на работу с входным дифференциальным напряжением не менее 200 мВ. Приемопередатчик ADM3065E может обеспечивать амплитуду VOD не менее 2,1 В при питании от 5 В, что превышает требования стандарта RS‑485. Полностью заполненная сеть RS‑485 эквивалентна дифференциальной нагрузке сопротивлением 54 Ом, которая имитирует шину с двойной оконечной нагрузкой из двух резисторов сопротивлением 120 Ом, а еще 750 Ом представляют 32 подключенных устройства с единичной нагрузкой или 12 кОм. ADM3065E имеет уникальную архитектуру выходного канала, обеспечивающую максимальное увеличение амплитуды VOD при работе с диапазоном синфазного напряжения, превосходящего требования TIA‑485‑A/EIA‑485‑A. На рис. 8 показано, что ADM3065E превышает требования, предъявляемые к драйверу шины RS‑485, на более чем 210% при питании от шины 3,3 В, или на более чем 300% при питании от шины 5 В. Это позволяет устройствам семейства ADM3065E обмениваться данными в сетях с большим количеством удаленных узлов на более дальние

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

расстояния и с большим запасом по шуму, чем у стандартных приемопередатчиков RS‑485. На рис. 9 также продемонстрировано это преимущество приемопередатчика ADM3065E при его работе в сети с длиной кабеля свыше 1000 м. При обмене данными по стандартному кабелю AWG 24 приемопередатчик ADM3065E работает на 30% лучше, чем стандартный приемопередатчик RS‑485, поскольку имеет на 30% больший запас по шуму на приемном узле, иными словами, он может работать в сети с увеличенной на 30% длиной кабеля при низких скоростях передачи данных. Благодаря таким характеристикам данный при-

Рис. 8. Характеристики ADM3065E превышают требования, предъявляемые к драйверу шины RS‑485, при работе в широком диапазоне питающего напряжения

www.kite.ru

30

компоненты

интерфейсы

Канал связи по RS-485 (длиной более 1000 м)

RS-485/ RS-422

Рис. 9. ADM3065E обеспечивает высококачественный дифференциальный сигнал при передаче данных на сверхдлинных расстояниях RS-485/ RS-422

емопередатчик может применяться в оборудовании инфраструктуры беспроводной связи, где длина кабеля RS‑485 превышает несколько сотен метров.

Защита от электромагнитных помех и помехоустойчивость Передача сигналов по шине RS‑485 является сбалансированной, дифференциальной и по своей природе невосприимчивой к помехам. Системный шум одинаково накладывается на сигнал каждого провода витой пары RS‑485. Благодаря структуре кабеля с витой парой наведенные шумовые токи текут в противоположных направлениях, а электромагнитные поля, наводимые на шину RS‑485, нейтрализуют друг друга. За счет этого снижается электромагнитная восприимчивость системы. Кроме того, благодаря повышенной амплитуде дифференциального напряжения 2,1 В приемопередатчик ADM3065E обеспечивает более высокое отношение сигнал/шум при обмене данными. При передаче данных на дальние расстояния, например на сотни метров (рис. 10) между уровнем земли и антенной на базовой станции беспроводной связи, высокое соотношение сигнал/шум, а также высокий уровень целостности сигнала обеспечивают точное и надежное управление наклоном/положением антенны. Как показано на рис. 1, для приемопередатчиков RS‑485, которые осуществляют обмен данными с внешними устройствами напрямую через разъемы и кабели, требуется надежная защита от электромагнитных помех. Например, очень часто на незащищенных разъемах RS‑485 и кабелях, проложенных от энкодера к электроприводу, возникает электростатический разряд. В стандарте МЭК 61800-3, регламентирующем устойчивость к электромагнитным помехам для систем электропривода с регулируемой скоростью, приводится требование к обеспечению минимальной защиты от электростатического разряда ±4 кВ при контактном разряде и ±8 кВ при разряде через воздушный зазор в соответствии с МЭК 61000-4-2. Приемопередатчик ADM3065E превосходит эти требования, так как выдерживает ±12 кВ при контактном разряде и ±12 кВ при разряде через воздушный зазор в соответствии с МЭК 61000-4-2. При использовании приемопередатчика в системах инфраструктуры беспроводной связи требуется усиленная защита от электромагнитных помех для обеспечения его защиты от разрушительных грозовых перенапряжений. Благодаря установке на входах ADM3065E TVS-диода SM712 и двух согласующих резисторов сопротивлением 10 Ом можно повысить уровень защиты от электромагнитных помех, а именно уровень защиты от электростатиче-

Рис. 10. Длина кабеля, применяемого в инфраструктуре беспроводной связи, может достигать сотен метров

ского разряда возрастет до ±30 кВ в соответствии с МЭК 61000-4-2, а уровень защиты от перенапряжений составит ±1 кВ в соответствии с МЭК 61000-4-5. Для повышения помехоустойчивости при применении приемопередатчика в жестких условиях систем управления двигателями, автоматизации процессов и инфраструктуры беспроводной связи можно добавить гальваническую развязку (рис. 11). Такую развязку для ADM3065E с усиленной изоляцией и выдерживаемым переходным напряжением 5 кВ с. к. з. можно организовать с использованием компонентов на основе технологий iCoupler и isoPower компании Analog Devices. В частности, изолятор ADuM231D имеет три необходимых канала с гальванической развязкой сигнальных линий, которые выдерживают 5 кВ с. к. з., и поддерживает точные временные характеристики, позволяющие этому приемопередатчику надежно работать на скоростях до 25 Мбит/с. Изолированный DC/DC-преобразователь ADuM6028 обеспечивает гальваническую развязку шины питания, выдерживающую напряжение 5 кВ с. к. з. Две ферритовые бусины используются для соответствия требованиям стандартов электромагнитной совместимости, таким как EN 55022 класса B/CISPR 22, в результате получается компактный изолированный DC/DCпреобразователь размером 67,5 мм.

Заключение Приемопередатчик ADM3065E компании Analog Devices превосходит требования отраслевых стандартов, обеспечивая при этом более быструю передачу данных на бóльшие расстояния по сравнению со стандартными приемопередатчиками RS‑485. При уровне джиттера 10%, который регламентируется в стандарте EnDat 2.2 [5], ADM3065E позволяет передавать данные с тактовой частотой 16 МГц по кабелю длиной до 20 м. Приемопередатчик ADM3065E превосходит требования, предъявляемые к драйверу шины RS‑485, на 300%, обеспечивая лучшую надежность и больший запас по шуму при передаче данных по более длинным кабелям. Помехоустойчивость приемопередатчика можно улучшить, если использовать совместно с ним изоляторы на основе технологии iCoupler, такие как изолятор

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

интерфейсы

компоненты

31

Рис. 11. Законченный приемопередатчик RS‑485 с гальванической развязкой каналов передачи сигналов и напряжения питания и защитой от электростатических разрядов, быстрых переходных процессов и перенапряжений

сигнальных линий ADuM231D, и самый компактный в отрасли изолированный DC/DC-преобразователь ADuM6028. n

Литература

Реклама

1. PROFINET and PROFIBUS Node Count Tops 87 Million in 2018. Profibus Group, May 2019.

2. Watterson C. LVDS and M-LVDS Circuit Implementation Guide. Analog Devices, Inc., March 2013.

3. TIA/EIA‑485‑A, Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems. IHS Markit Inc., March 1998.

4. TIA/EIA‑568‑B.2, Commercial Building Telecommunications Cabling Standard — Part 2: Balanced Twisted Pair Cabling Components. Telecommunications Industry Association, May 2001.

5. EnDat 2.2 — Bidirectional Interface for Position Encoders. Heidenhain, September 2017.

6. www.analog.com/en/technical-articles/going-faster-further-with-fieldbus. html

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

www.kite.ru

32

компоненты

память

Устройства компании Foremay для хранения и защиты важной информации

Константин Верхулевский info@icquest.ru

Популярность твердотельных накопителей информации (SSD, Solid State Drive) обусловлена рядом факторов, главным из которых является очень высокая скорость чтения и записи, практически недостижимая традиционными HDD-дисками. Производители устройств данного типа, как правило, ориентированы на изготовление либо повсеместно применяемых изделий для потребительского рынка, либо накопителей промышленного класса, отличающихся повышенной отказоустойчивостью и увеличенным сроком службы. К последним относится компания Foremay — один из ведущих разработчиков и поставщиков высоконадежных твердотельных устройств хранения данных. В статье рассматриваются ключевые особенности отдельных серий SSD-продукции компании, особое внимание уделено технологиям, обеспечивающим высокое качество и надежность эксплуатации выпускаемых изделий.

Введение Твердотельные накопители представляет собой полупроводниковые энергонезависимые запоминающие устройства, обеспечивающие хранение информации при помощи массива микросхем флэшпамяти. По сравнению с классическими жесткими дисками они не содержат магнитных носителей и вращающихся механических элементов, подвергающихся в процессе эксплуатации значительному износу. Такое конструктивное исполнение позволяет добиться высокого быстродействия не только при загрузке системы, но и при использовании установленного программного обеспечения. Например, разница в скорости выполнения операций при обработке графики может достигать нескольких раз. Кроме того, SSD-устройства менее чувствительны к условиям эксплуатации, способны работать под воздействием физических нагрузок (ударов, падений, высоких температур) и не требуют строго горизонтальной или вертикальной пространственной ориентации. Также их применение снижает затраты на электроэнергию примерно втрое, они обладают более низким тепловыделением и нулевым уровнем собственного шума. К минусам SSD-накопителей можно отнести лишь более высокую цену за 1 Гбайт емкости, но этот показатель значительно снизился по сравнению с первыми моделями и имеет тенденцию к дальнейшему сокращению. Обычно различают коммерческие и промышленные твердотельные накопители. Первые широко распространены в бытовой электронике, вторые предназначены для применения в оборудовании промышленного назначения [1]. Как правило, промышленные устройства обладают более высокой наработкой на отказ, могут эксплуатироваться в сложных условиях, в том числе при вибрации, при отрицательных температурах и т. д. Для достижения требуемых показателей надежности производители промышленных накопителей предпринимают целый комплекс мер. Это и строгий подбор компонентов, и применение более высококачественных материалов при изготовлении печатной платы и корпуса изделия. Кроме того, схемотехника и программное обеспечение контроллеров промышленных SSD-устройств сложнее, чем у коммерческих аналогов.

Среди других отличий промышленных SSD-накопителей от бытовых следует отметить: • стойкость к химическим воздействиям за счет конформных покрытий; • повышенную надежность при операциях чтения/записи; • стойкость к механическим воздействиям благодаря более прочному корпусу; • дополнительные специфические преимущества, например защиту данных шифрованием и встроенную функцию быстрого уничтожения информации при угрозе ее утечки. Компания Foremay, основанная в 2002 году, является одним из ведущих разработчиков и поставщиков высоконадежных твердотельных накопителей информации, используемых в вычислительных центрах промышленного и специального назначения, встраиваемых системах и серверном оборудовании, рабочих станциях и мобильных устройствах. Продукцию Foremay используют в своих устройствах такие известные бренды, как Boeing, Harris, NEC, Honeywell, Lockheed Martin, NASA, Mitsubishi motors, Fujitsu, Airbus, Cisco, Sun microsystems и многие другие.

Особенности SSD-устройств Foremay В настоящее время Foremay предлагает полную линейку SSDрешений в различных форм-факторах, начиная от отдельных микросхем (DOC, Disk-on-Chip) флэш-памяти и заканчивая модулями (DOM, Disk-on-Module) и твердотельными накопителями типа plugn‑play формата 1,8" и 2,5", пользующимися наибольшей популярностью [2]. SSD-устройства размером 2,5 дюйма можно охарактеризовать как некий переходный вариант в цепи развития твердотельных накопителей. Они позволяют установить новый тип накопителя в старую систему, тем самым предлагая все плюсы использования SSD без замены ключевых компонентов ПК. Также большое распространение получают накопители современного формата М.2, которые благодаря своей компактности отлично подходят для установки в ноутбуки и ультрабуки. Они могут подключаться как по линиям SATA, так и по линиям PCIe, используя протокол NVMe.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

память

Типовая структурная схема SSD-накопителя производства компании Foremay имеет несколько ключевых блоков: микросхемы флэш-памяти типа NAND для хранения данных, специальный контроллер, выступающий в роли посредника между носителем и системой и отвечающий за общую производительность SSD, а также интерфейс подключения, определяющий максимальные скорости чтения и записи (рис. 1). Память DRAM, выступающая временным хранилищем небольших объемов данных и позволяющая стабилизировать износ памяти, а также ускорить доступ к файлам, присутствует не у всех моделей. В качестве интерфейсов связи применяются устаревшие PATA, самые распространенные SATA, скоростные PCIe и т. д. Пропускная способность накопителей с SATA-интерфейсом зависит от версии протокола (II или III) и составляет 3 и 6 Гбит/с соответственно. Также широко используется логический интерфейс NVMe (NVM Express), представляющий собой спецификацию протокола доступа к твердотельным накопителям, подключенным по шине PCIe. Его основные цели — получение низких задержек и организация эффективной совместной работы твердотельных накопителей и многоядерных процессоров. Флэш-память является основным и самым дорогостоящим компонентом твердотельного накопителя. Как было отмечено, в устройствах Foremay предусмотрена память типа NAND. На физическом уровне это означает, что ячейки памяти, представляющие собой полевые транзисторы с плавающим затвором, соединяются в матрицы последовательно. Как видно на рис. 2, для того чтобы записать со-

Рис. 2. Архитектура NAND-памяти

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

компоненты

33

Рис. 1. Упрощенная структура твердотельных накопителей Foremay

Таблица 1. Основные отличия серий SSD-накопителей Foremay Серия Характеристики

Основное назначение Емкость, Гбайт Срок службы (чтение/запись), лет Срок сохранности данных, лет Время доступа, мс Диапазон рабочих температур, °С Влажность, % MTBF, млн часов Стойкость к ударам/вибрации

SC199

EC188

TC166

OC177

Высоконадежные применения (ПК/ноутбуки, серверы)

Высоконагруженные промышленные применения (сетевые серверы)

Промышленные применения

Встраиваемые системы

16–4000 150/120 10 0,1 –40…+85 и шире 5–90 5 1500g/20g

500–200 000 120/75 10 0,1 0…+70 и шире 5–90 4 1500g/16g

8–10 000 120/50 10 0,1 0…+70 и шире 5–90 3 1500g/20g

16–256 150/(50–120) 10 0,1 –40…+85/0…+70 5–90 3–5 1500g/20g

стояние «нуля» в одну из них, нужно, чтобы все другие были открыты и пропускали ток. Поэтому память типа NAND работает с данными, упорядочивая их в небольшие блоки (страницы). Данный подход обеспечивает высокую скорость записи, еще более высокую скорость стирания, а также более эффективную процедуру последовательного чтения. Кроме того, эта топология позволяет сократить размеры ячеек памяти на кристалле и, соответственно, получить потенциально большую емкость накопителя. Небольшими размерами преимущества ячеек NAND-памяти не ограничиваются. В современных накопителях существует возможность записи как одного, так и нескольких (до четырех) бит информации на ячейку (в зависимости от аппаратной реализации).

Foremay выпускает чипы, в которых элементарная ячейка хранит один (SLC, SingleLevel Cell), два (MLC, Multi-Level Cell) или три (TLC, Three Level Cell) бита данных. Соответственно в однобитовых ячейках различают только два уровня заряда на плавающем затворе, в ячейках типа MLC — четыре уровня, в ячейках TLC — восемь (рис. 3). Чем больше значений может принимать ячейка, тем больше информации способен хранить накопитель, но тем больше вероятность некорректного считывания этого значения и тем больше времени требуется на коррекцию ошибок. Кроме того, из-за конструктивных особенностей каждая ячейка флэш-памяти может выдержать ограниченное число циклов записи, с увеличением количества бит на одну ячейку данный пока-

Рис. 3. Типовые варианты организации ячеек памяти NAND

www.kite.ru

34

компоненты

память

затель уменьшается. Тип SLC — самый дорогой и надежный вариант памяти — обладает большим ресурсом (количество циклов перезаписи превышает 100 000) и используется для решения ответственных задач. Для коммерческого применения обычно предназначены MLC- и TLC-решения, обладающие выгодным соотношением емкость/стоимость, но отличающиеся повышенным энергопотреблением и меньшей надежностью.

SSD-контроллер представляет собой встроенный процессор, выполняющий наиболее важные для обеспечения общей производительности и безопасности накопителя задачи. Помимо аппаратного шифрования и защиты данных, контроллер памяти реализует следующие функции: • Выравнивание износа (wear-leveling). Ресурс твердотельного накопителя зависит от количества циклов перезаписи отдельных страниц памяти. Если регулярно размещать данные в один и тот же блок, он быстро выходит из строя, тем самым уменьшается первоначальная емкость диска. Для равномерного распределения данных по всем областям памяти Foremay разработала собственные динамические алгоритмы, реализуемые SSD-контроллером и повышающие срок службы накопителя.

• Обнаружение и коррекция случайных ошибок. В SSD-устройствах Foremay применяется BCH ECC — наиболее эффективный алгоритм контроля целостности данных, позволяющий устранить до 12 ошибочных бит в каждом блоке размером 512 кбайт.

• Контроль дефектных блоков памяти. Дефектными называют секторы памяти, содержащие один или более бит, достоверность которых не гарантируется. Они могут появиться во время транспортировки или в процессе эксплуатации. Foremay использует эффективный алгоритм управления подобными блоками для детектирования ошибок в течение всего срока службы. Эта процедура совершенно открыта для пользователя при использовании SMART. • SMART (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology — технология самоконтроля, анализа и отчетности) служит для оценки состояния диска встроенной аппаратурой самодиагностики и предсказания времени выхода его из строя. Помогает обнаружить потенциальную проблему, выполнить повторную калибровку, коррекцию ошибок и тем самым предотвратить утерю важных данных.

• NCQ (Native Command Queuing — аппаратная установка очередности команд) используется для получения максимального быстродействия и увеличения количества операций в секунду (IOPS). С учетом наиболее важных системных команд позволяет оптимально управлять последовательностью запросов к накопителю, повышая производительность задач, связанных с произвольным чтением, а также обработкой данных от двух и более источников.

• Сборка «мусора» для оптимизации удаления и записи страниц и блоков памяти.

• Контроль напряжения питания и поддержки горячего подключения. Широкая линейка серийных SSD-устройств Foremay включает свыше сотни различных моделей, объединенных в зависимости от основного назначения в четыре отдельные серии. В таблице 1 представлены основные параметры популярных стандартных моделей SSD-накопителей Foremay. Твердотельные диски компании Foremay, имеющие максимально доступную на рынке емкость, отличаются увеличенным сроком службы по сравнению с аналогами от других производителей. Отличный уровень криптозащиты, базирующийся на усовершенствованных технологиях шифрования, наравне с функцией самостирания позволяет использовать их в приложениях с повышенными требованиями безопасности. SSD-диски имеют широкий выбор доступных диапазонов рабочих температур (0…+70 °C, –40…+85 °C и –55…+125 °C), соответствуют либо превосходят требования стандарта MIL-STD‑810F/G, кроме того, ряд высоконадежных моделей выпускается в герметизированном пыле- и влагозащищенном исполнении. Вся продукция имеет сертификаты соответствия международным стандартам FCC, CE, MIC, ROHS и UL, система менеджмента качества компании удовлетворяет требованиям ISO‑9001. Улучшить

степень механической и электрической защиты позволяет нанесение на печатную плату и микросхемы специального конформного покрытия, которое не применяется в бытовых устройствах. Дополнительно предлагаемое заказное проектирование предусматривает доработку корпусного исполнения выбранного устройства с целью повышения степени защиты (IP57 и выше), создание специальных антивибрационных кронштейнов для жестких условий эксплуатации, позволяющих значительно увеличить надежность крепления, а также разработку с нуля комбинированных накопителей определенной емкости на основе SLC- и MLC-дисков.

Серия SC199 Твердотельные накопители серии SC199 являются старшими представителями линейки SSD-продукции Foremay. Они позиционируются для использования в высоконадежном оборудовании, предназначенном для решения ответственных задач в жестких условиях окружающей среды. К типовым отраслям применения относятся: горнодобывающая, нефте- и газодобыча, аэрокосмическая, военная и медицинская. Все устройства данной серии изготавливаются на основе специально отобранных микросхем флэш-памяти, обладают расширенным набором дополнительных опций и повышенной прочностью конструкции. В зависимости от условий эксплуатации существует возможность выбора подходящего решения, в рамках серии выпускаются модели, рассчитанные как на стандартный (–40…+85 °C), так и на расширенный (–55…+125 °C) диапазоны температур. В настоящее время для заказа доступно 11 модификаций емкостью 16–4000 Гбайт и с несколькими интерфейсами подключения (табл. 2). Безопасность и долговечность функционирования обеспечивает ряд внутренних функций: аппаратного шифрования (HE), поддержки спецификации TCG Opal (OP), защитного стирания (S1, S2, S3) и защиты от записи (WP). Аппаратное шифрование выполняется по алгоритму AES с 256‑разрядным ключом, а 2,5"-версия SATA III, кроме того, имеет поддержку стандарта TCG Opal 2.0. Для устранения возможности несанкционированного доступа к данным в зависимости от модели применяются три варианта защитного стирания. Первые два, различающиеся способом активации (программный или аппаратный при помощи кнопки или механического переключателя), позволяют после переформатирования повторно использовать все блоки памяти. Третий тип гарантирует полное стирание данных и невозможность последующего восстановления информации. При нем происходит уничтожение ключа шифрования и встроенного ПО, а также физическое разрушение ячеек NAND-памяти, в течение нескольких секунд накопитель становится непригодным к эксплуатации. Эти операции выполняются при помощи встроенного SSDконтроллера UC007 — собственной разработки компании Foremay. Из других опций следует отметить наличие встроенного конденсатора большой емкости для корректного завершения работы в аварийных ситуациях (SC) и использование конформного покрытия (CC). Устройства хранения данных, предназначенные для военных и аэрокосмических целей, соответствуют или превосходят требования стандарта MIL-STD‑810G. Они выпускаются в массивных металлиТаблица 2. Основные характеристики накопителей серии SC199 Форм-фактор и интерфейс

Скорость чтения/записи, Мбит/с (макс.)

Емкость накопителей, Гбайт

Дополнительные опции

2,5" SATA III 2,5" SATA II 1,8" micro SATA III 1,8" micro SATA II 1,8" SATA 2,5" SFF-8639 NVMe VPX 2,5" IDE/PATA 1,8" IDE/PATA CompactFlash CFast II

550/500 260/260 550/500 260/260 260/260 1600/1500 3800/3100 100/80 100/80 90/80 160/150

30–4000 30–4000 30–500 30–500 30–128 1000–4000 500–2000 30–1000 30–128 16–128 16–64

S1, S2, S3, HE, CC, SC, WP, OP S1, S2, S3, HE, CC, SC, WP S1, HE, CC S1, S2, S3, HE, CC, WP S1, S2, HE, CC S1, S2, S3, HE, CC, SC S1, HE S1, S2, S3, HE, CC, WP S1, S2, HE, CC S1, HE, CC S1, HE, CC

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

память

Рис. 4. Внешний вид SSD-накопителей Foremay военного и аэрокосмического назначения

ческих корпусах, обеспечивающих защиту от экстремальных механических и климатических воздействий (рис. 4). На данный момент для заказа доступны накопители: 2,5" SATA и 2,5" NVMe U.2 емкостью до 16 Тбайт, а также 1,8" micro SATA, вмещающий до 2 Тбайт информации.

Серия EC188 Устройства семейства EC188 разработаны для хранения информации в облачных системах, телекоммуникационных коммутаторах и серверах 4G/5G-сетей, производительных серверах банков с большим количеством одновременных запросов и в других применениях, требующих наличия накопителей с высокой скоростью чтения/записи и хорошей износоустойчивостью. Обладающие пропускной способностью до 6 Гбит/с и емкостью до 200 Тбайт, они созданы с использованием различных интерфейсов связи (табл. 3). Для ускорения выполнения операций чтения и записи накопители снабжены кэшпамятью типа DRAM. Двенадцать типовых модификаций, оптимизированные для использования в RAID-массивах, могут применяться в двух диапазонах рабочих температур (0…+55 °C и –40…+85 °C). Устройства размером 2,5" и 3,5", выполненные на основе интерфейсов SATA III и SAS (Serial Attached SCSI), обладают максимальным дисковым пространством 8 Тбайт. Их скорость чтения/записи не превышает 550/510 Мбит/с.

SSD-накопители данного типа совместимы со всеми распространенными серверными операционными системами: Windows, Mac OS X, Linux (промышленная версия), Solaris, FreeBSD и т. д. Серийные устройства на базе интерфейса PCIe имеют емкость 1–32 Тбайт и выгодно отличаются скоростью чтения/записи на уровне 3800/3100 Мбит/с. С применением матрицы из шести отдельных дисковых PCIe-накопителей, включенных в массив RAID 0, можно получить масштабируемое решение с объемом до 200 Тбайт. Также нужно обратить внимание

компоненты

35

Рис. 5. Внешний вид накопителей серии EC188

на готовую серверную платформу 2U Rackmount, представляющую собой оптимальное решение для высоконагруженных сетей хранения данных (SAN, Storage Area Network). Подключение к сети осуществляется при помощи интерфейсов 10/40/56 GigE, PCIe или Fiber Channel. Производительность 2U Rackmount при операциях с произвольным доступом к памяти достигает 1 млн IOPS. Внешний вид устройств серии EC188 показан на рис. 5.

Серия TC166 Серия TC166 включает высококачественные SSD-накопители, ориентированные на работу в составе промышленных ноутбуков, применяемых на морском и железнодорожном транспорте, в системах гражданской авиации, связи, безопасности и видеонаблюдения, производственных технологических линиях и т. д. В серии преобладают модели, оснащенные наиболее распространенным SATA-интерфейсом (табл. 4). Максимальная скорость операций чтения/записи, зависящая от версии стандарта, составляет 550/510 Мбит/с для модификаций SATA III и 250/210 Мбит/с для SATA II. Возможность выбора из трех стандартных форм-факторов (1,8"; 2,5" или 3,5") позволяет использовать данные накопители как в настольных системах, так и в ноутбуках. Устройства емкостью 8 Гбайт – 10 Тбайт имеют низкое собственное энергопотребление, хороший запас прочности и длительную наработку на отказ. Помимо интегрированных технологий управления флэш-памятью, накопители TC166 в зависимости от назначения снабжены дополнительными возможностями: аппаратного шифрования и быстрого удаления информации с учетом требований военных стандартов. Обязательное нанесение защитного покрытия на корпус изделий помогает повысить надежность функционирования. Также в рамках серии предлагаются съемные накопители промышленного назначения в виде карт памяти, отлично подходящие для использования в качестве загрузочных дисков.

Таблица 3. Основные характеристики накопителей серии EC188 Форм-фактор и интерфейс

Скорость чтения/записи, Мбит/с (макс.)

Емкость накопителей, Гбайт

Дополнительные опции

PCIe x8 Gen.3.0 PCIe x8 Gen.2.0 PCIe x4 Gen.2.0 PCIe x4 Gen.1.0 PXIe/CPCIe VPX 2U Rackmount 2,5" SFF-8639 NVMe 2,5" SAS 2,5" SATA III 3,5" SATA III

3800/3100 2400/2000 1500/1400 800/700 3800/3100 3800/3100 1 млн IOPS 1600/1500 550/400 550/510 550/510

1000–8000 1000–6000 2000–12 000 2000–32 000 1000–8000 1000–8000 24 000–200 000 1000–8000 500–2000 500–8000 1000–8000

S1, HE S1, HE S1, HE, OP S1, HE S1, HE S1, HE S1, HE S1, HE, OP S1, HE, SC S1, HE, SC S1, HE, SC

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

Таблица 4. Основные характеристики накопителей серии TC166 Форм-фактор и интерфейс

Скорость чтения/записи, Мбит/с (макс.)

Емкость накопителей, Гбайт

Дополнительные опции

2,5" SATA III 2,5" SATA II 1,8" micro SATA 1,8" SATA 3,5" SATA III 2,5" IDE/PATA 1,8" IDE/PATA CompactFlash CFast 1,8" ZIF

550/510 250/210 550/510 550/510 550/500 100/80 90/80 90/80 320/180 100/95

60–8000 60–10 000 60–480 30–256 60–4000 60–1000 8–256 8–256 30–128 30–256

S1, CC, HE S1, CC, HE S1, CC, HE S1, CC, HE S1, CC, HE S1, CC, HE S1, CC, HE S1, CC, HE S1, CC S1, CC, HE

www.kite.ru

компоненты

36

память

Предназначенные для монтажа непосредственно на плату, они устраняют необходимость установки отдельного диска для хранения данных. Оснащены стандартными интерфейсами IDE или SATA и имеют емкость 16–64 Гбайт NAND-памяти и скорость чтения/записи 450/200 Мбит/с соответственно. С учетом заявленной высокой надежности, устойчивости к вибрациям, ударам и температурным перепадам устройства на их основе можно использовать в полевых условиях. Рис. 6. Внешний вид накопителей серии OC177

Заключение

Емкость накопителей, Гбайт

Дополнительные опции

mSATA III, 30×50 мм

550/510

30–120

S1, HE, CC

mSATA III, 30×25 мм

550/510

30–60

S1, HE, CC

half slim SATA III

500/500

30–120

S1, HE, CC

SATA DOC

450/200

16–64

S1, HE

1,8" micro SATA

260/260

32–240

S1, HE, CC

1,8" SATA

260/260

32–128

S1, HE, CC

1,8" ZIF / IDE

100/95

32–128

S1, HE, CC

M.2 NGFF

450/350

32–256

S1, HE, CC

Серия OC177 Серия содержит компактные бескорпусные изделия, выполненные в виде модулей или однокристальных решений для распайки на печатную плату. Они ориентированы

на применение во встраиваемых системах различного назначения и успешно используются в одноплатных компьютерах, робототехнике, пультах управления, терминалах, мобильных устройствах и т. д. Основная особенность серии OC177 — минимальные габариты. Максимальная емкость накопителей не превышает 256 Гбайт (табл. 5). В качестве интерфейсов подключения модулей применяются SATA, micro SATA, IDE и ZIF. Каждый накопитель выпускается в двух вариантах: общего назначения с допустимыми рабочими температурами в пределах 0…+70 °C и в высоконадежном исполнении с диапазоном температур –40…+85 °C. При этом первые устройства отличаются от вторых увеличенным в 2–4 раза значением максимального размера дискового пространства. Твердотельные накопители SATA DOC конструктивно выполнены в BGA-корпусах размерами от 22221,8 мм (рис. 6).

Компания Foremay предлагает широкую линейку SSD-накопителей как для потребительского рынка, так и для применения в оборудовании ответственного назначения. Богатый ассортимент серийных устройств хранения информации, отличающийся разнообразием вариантов конструктивного исполнения и перечнем функциональных особенностей, позволяет сделать качественный выбор при решении конкретной задачи. Если по каким-либо причинам выбор не был сделан, производитель может выполнить разработку на основе требований заказчика. n

Литература 1. Румянцев С., Некрасов А. Надежному промышленному компьютеру — надежную память, или Основные отличия промышленных и коммерческих SSD // Компоненты и технологии. 2011. № 11.

2. Официальный сайт компании Foremay. www.foremay.net

Реклама

Форм-фактор и интерфейс

Скорость чтения/записи, Мбит/с (макс.)

Таблица 5. Основные характеристики накопителей серии OC177

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

новости

37

Новости сайта www.efo.ru Silicon Labs Компания Silicon Labs объявила о пополнении своего семейства энергоэффективных и недорогих беспроводных 32‑разрядных систем на кристалле EFR32 еще одной линейкой микроконтроллеров EFR32FG23 с интегрированным приемопередатчиком для частотного диапазона <1 ГГц.

Микросхемы нового подсемейства, являясь полноценными 32‑разрядными микроконтроллерами с ядром ARM Cortex M33 и богатой периферией, имеют целый ряд новых преимуществ: • Улучшена на 3 дБ чувствительность субгигагерцевого приемника.

• Пользователю доступен широкий набор модуляций: FSK, GFSK, OQPSK, DSSS, MSK, GMSK, OOK. • Введен режим детектирования преамбулы (PSM), который позволяет уменьшить периодичность пробуждения ядра и обеспечивает среднее энергопотребление <1 мА.

• Симметрирующий трансформатор и усилитель мощности на 20 дБм интегрированы внутрь микросхемы, что дает экономию на внешних компонентах и упрощает разработку ВЧ-тракта.

• Наличие встроенного LCD-контроллера на 80 сегментов также полезно для многих разработок. Новые микросхемы и отладочные средства доступны для заказа. *** Компания Silicon Labs предлагает разработчикам беспроводных сетей новый пакет Wi-SUN SDK для построения защищенных меш-сетей в субгигагерцевом диапазоне с поддержкой протоколов IPv6. Технология Wi-SUN (Wireless Smart Ubiquitous Network) — это законченное защищенное решение для построения больших беспроводных IoT-сетей масштаба города, таких как информационные сети коммунальных служб, системы управления освещением, светофорами, парковками, системы мониторинга мусорных контейнеров и другие системы городской смарт-инфраструктуры.

Wiznet В сентябре 2021 года компания Wiznet выпустила два новых Ethernet-модуля WIZnet Ethernet HAT и W5100S-EVB-Pico, предназначенных для расширения экосистемы микроконтроллера Raspberry PI RP2040. Данный микроконтроллер стал доступен в начале 2021 года и представлен на рынке в виде платы Raspberry Pi PICO. WIZnet Ethernet HAT (Hardware Attached on Top) — мезонинный модуль на базе аппаратного Ethernet-моста W5100S. Модуль совместим по выводам с Raspberry Pi PICO, интерфейсом для подключения моста W5100S к RP2040 служит SPI. W5100S-EVB-Pico представляет собой плату, которая включает узел на базе контроллера RP2040 (аналог модуля Raspberry Pi PICO) и узел,

отвечающий за интерфейс Ethernet на базе моста W5100S и сетевого разъема RJ‑45. Модуль W5100S-EVB-Pico полностью совместим по выводам с оригинальным модулем Raspberry Pi PICO. Для быстрого подключения Ethernet-моста W5100S к контроллеру RP2040 компания Wiznet предлагает ряд готовых примеров, в которых показана работа со следующими протоколами: • TCP/IP; • DHCP/DNS; HTTP-сервер; • MQTT (издатель/подписчик); • SNTP; • TCP-клиент с использованием протокола шифрования SSL.

IAR Systems Компания IAR Systems выпустила новую версию среды разработки IAR Embedded Workbench с поддержкой перспективных процессорных технологий компании Andes, включая AndeStar V5 RISC-V Performance Extension. В анонсированной версии добавлены поддержка спецификации RISC-V Packed SIMD/DSP и соответствующих внутренних функций, обновлена библиотека Andes DSP, расширен перечень поддерживаемых 32‑разрядных RISC-V ядер (N22, N25F, D25F, A25, A27, N45, D45).

Intel PSG Компания Intel PSG (ранее ALTERA) выпустила новую версию САПР Quartus Prime Pro Edition 21.3. Дистрибутив новой версии Intel Quartus Prime Pro Edition 21.3 доступен на официальном сайте компании Intel.

Quartus Prime Pro Edition v21.3 поддерживает семейство ПЛИС Intel Agilex. Эти FPGA используют технологию гетерогенной трехмерной системы в корпусе (System-in-Package) для интеграции FPGA-матрицы, сделанной по 10‑нм технологии SuperFin, и различных чиплетов, выполняющих такие функции, как PCIe Gen 5, трансиверы 116 Гбайт, интерфейс Compute Express Link с процессором Xeon и другие. Архитектура Intel HyperflexFPGA 2‑го поколения позволяет обеспечить или повышение производительности на 45%, или снижение потребляемой мощности на 40% по сравнению с аналогичными ПЛИС семейства Stratix 10. Основные изменения в новой версии: • появились новые опции и возможности для компиляции и отладки проекта; • добавлена поддержка нового симулятора Questa-Intel FPGA Edition и Questa-Intel FPGA Starter Edition; • добавлена поддержка синтезируемого микроконтроллера следующего поколения Nios V/m (softcore microcontroller) на основе открытой архитектуры RISC-V. Подробнее ознакомиться со всеми изменениями в новой версии Intel Quartus Prime Pro Edition 21.3 можно в документе Version 21.3 Software and Device Support Release Notes и на сайте компании Intel. Санкт-Петербург, ул. Новолитовская, д. 15, лит. А, бизнес-центр «Аквилон», офис 441; (812) 327-86-54; e-mail: zav@efo.ru.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

www.kite.ru

38

на правах рекламы

Связь по сети Ethernet: как использовать платформу Arduino в сетях IoT и IIoT Вот уже несколько лет как создание разветвленных компьютерных сетей перестало служить только для соединения компьютеров. Падение цен и увеличение вычислительной мощности небольших микроконтроллеров положили начало бурному процессу подключения к локальным сетям Ethenet или даже глобальной сети Интернет маломощных устройств, в основном выполняющих функции контроля, управления и измерения. Более того, эти решения стали появляться и в профессиональных промышленных сетях, постепенно вытесняя старые системы на основе RS‑232 и его производных.

Т

аким образом, в начале XXI века наступила эра «Интернета вещей» (Internet of Things — IoT). Хотя в настоящее время на рынке IoT преобладают устройства, коммуницирующие между собой с помощью беспроводных сетей и стандартов Wi-Fi, ZigBee, BLE или Z‑Wave, во многих аппаратных решениях (в основном из сегмента IIoT — Industrial Internet of Things), требующих надежной передачи и безопасности данных, одним из самых популярных вариантов по-прежнему остается сеть Ethernet. Создатели платформы Arduino не оставили без ответа пожелания разработчиков IIoTустройств, и в стандартном предложении модулей Arduino появились платы расширения типа Ethernet Shield 2, адресованные отдельным пользователям, или Arduino MKR ETH SHIELD для профессиональных решений на базе контроллеров WIZnet W5100/W5200/ W5500 и интегральные схемы MAC и PHY

в одной интегральной схеме. Довольно быстро независимые производители дополнили это предложение новыми и гораздо более дешевыми модулями на основе популярных схем ENC28J60. В статье кратко охарактеризованы оба решения: официальное, основанное на схемах серии W5x00, и разрабатываемое главным образом сообществом Open Source/Open Hardware решение на основе модулей ENC28J60.

Связь с использованием модулей WIZnet W5x00 и библиотеки Arduino Ethernet Несомненным преимуществом официальных модулей на основе схем серии W5x00 (в том числе их аппаратных аналогов, например плат расширения OKYSTAR OKY2102 или DFROBOT DFR0125, рис. 1) является полная программная поддержка в виде библиотеки

Ethernet, встроенной в стек Arduino. Таким образом, пользователь может приступить к созданию программы сразу после запуска Arduino IDE, не устанавливая дополнительные программные пакеты. В зависимости от схемы WIZnet и объема доступной памяти RAM библиотека Ethernet поддерживает максимум четыре (для схемы W5100 и памяти RAM ≤ 2 кбайт) или восемь (схемы W5200 и W5500) параллельных выходящих/входящих соединений. Программный интерфейс библиотеки разделен на пять классов, сгруппированных по отдельным функциональностям. Для нужд IP-адресации создан класс IP Address. Чтобы запустить простое серверное приложение на стороне Arduino, необходимо использовать класс Ethernet Server для выполнения чтения и записи данных со всех подключенных устройств. Взаимодополняющим классом является класс Ethernet Client, который позволяет с помощью нескольких простых вызовов подготовить функционального сетевого клиента, выполняющего операции записи и чтения данных с сервера. Для связи по протоколу UDP библиотека Ethernet предоставляет класс Ethernet UDP. Полное описание классов и методов представлено на сайте [1]. Характерным для платформы Arduino способом все сложные программные операции реализованы непосредственно в предоставляемой библиотеке. В распоряжении программиста имеется ограниченный, но очень функциональный набор API, благодаря чему процесс разработки приложения проходит быстро и не требует детального знания сетевых стеков. Поэтому проанализируем строение простейшего серверного приложения, поставляемого с библиотекой Ethernet, задача которого состоит в прослушивании входящих соединений от клиента протокола Telnet.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

на правах рекламы

39

а

б

Рис. 1. Модули, оснащенные контроллером WIZnet W5100: а) OKY2102; б) DFR0125

Код серверного приложения начинает добавлять файлы заголовков, необходимые для установления связи SPI (модули WIZnet обмениваются данными с микроконтроллером, используя этот протокол), а также файлы заголовков библиотеки Ethernet: #include <SPI.h> #include <Ethernet.h>

Следующий шаг — настройка сетевых параметров (MAC-адрес контроллера, IP-адрес шлюза доступа и маски подсети), а также создание сервера для прослушивания порта № 23 (порт по умолчанию для протокола Telnet): byte mac[] = {0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED}; IPAddress ip(192,168,1, 177); IPAddress gateway(192,168,1, 1); IPAddress subnet(255, 255, 0, 0); EthernetServer server(23);

В теле функции setup() необходимо инициализировать библиотеку Ethernet и запустить процесс прослушивания. Дополнительно помещена конфигурация последовательного порта, на котором будут отображаться сообщения об адресе сервера, подключении нового клиента и данных, полученных во время установленного сеанса: void setup() { Ethernet.begin(mac, ip, gateway, subnet); server.begin(); Serial.begin(9600); while (!Serial) { } Serial.print(“Chat server address:”); Serial.println(Ethernet.localIP());

Реклама

}

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

www.kite.ru

на правах рекламы

40

а

б

Рис. 2. Модули, оснащенные контроллером ENC28J60: а) OKY3486; б) ETH CLICK

се SPDIP) эта схема очень популярна среди электронщиков‑любителей. Несмотря на отсутствие официальной поддержки со стороны Arduino, в распоряжение программистов передано много библиотек типа open source, обеспечивающих быструю интеграцию схем ENC28J60 с программным обеспечением. Особое внимание следует уделить библиотеке UIP Ethernet, а также предоставляемой по лицензии GPLv2 библиотеке Ether Card. Несомненным преимуществом первого из упомянутых проектов является совместимость интерфейса API с официальной библиотекой Arduino Ethernet, таким образом процесс разработки приложений становится независимым от выбора, сделанного между схемами W5x00 и схемой ENC28J60 на аппаратном уровне. Второй из проектов, Ether Card, реализует независимый программный интерфейс, который, в соответствии с предпочтениями программиста, может оказаться интересной альтернативой. Как и в случае с библиотекой Arduino Ethernet, реализация довольно сложной функциональности (например, реализация DHCP-клиента) может быть выполнена в несколько строк кода: #include <EtherCard.h>

Основной цикл loop() ожидает соединения от клиента и проверяет наличие данных для считывания. При получении данных он отправляет их без изменений клиенту, выполняя таким образом простую функцию echo: void loop() { EthernetClient client = server.available(); if (client) { if (!alreadyConnected) { client.flush(); Serial.println(“We have a new client”); client.println(“Hello, client!”); alreadyConnected = true; } if (client.available() > 0) { char thisChar = client.read(); server.write(thisChar); Serial.write(thisChar); } } }

новости

Правильность работы этого приложения можно протестировать, используя произвольного клиента протокола Telnet (например, программу Putty в системе Windows или команду telnet в системе Linux) или еще один комплект Arduino и классы Ethernet Client.

static byte mymac[] = {0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED};

Связь с использованием модулей ENC28J60 и внешних библиотек

if (ether.begin(sizeof Ethernet::buffer, mymac, SS) == 0) Serial.println(F(“Failed to access Ethernet controller”));

Альтернативным решением для официально поддерживаемых схем WIZnet W5x00 являются модули на базе контроллера ENC28J60 (например, OKYSTAR OKY3486 или ETH CLICK, рис. 2). Благодаря более низкой цене и простоте ручного монтажа корпуса (в отличие от схем W5x00, содержащихся в 80‑контактных корпусах LQFP, контроллер ENC28J60 предлагается в 28‑контактных корпусах типа SSOP, SOIC, QFN, а также в предназначенном для сквозного монтажа корпу-

byte Ethernet::buffer[700]; void setup () { Serial.begin(57600); Serial.println(F(“ [testDHCP]”));

Serial.println(F(“Setting up DHCP”)); if (!ether.dhcpSetup()) Serial.println(F(“DHCP failed”)); ether.printIp(“My IP: “, ether.myip); ether.printIp(“Netmask: “, ether.netmask); ether.printIp(“GW IP: “, ether.gwip); ether.printIp(“DNS IP: “, ether.dnsip); } void loop () { ether.packetLoop(ether.packetReceive()); }

Литература 1. www.arduino.cc/en/Reference/Ethernet

силовая электроника

Кристаллы SiC MOSFET 12‑го класса от Wolfspeed Компания Wolfspeed (A Cree Company) выпустила кристаллы SiC МОП-транзисторов поколения Gen 3 на напряжение 1200 В и ток до 149 А. Кристаллы/чипы поставляются в разрезанном виде в кассетах waffle Pack либо на UV-пленке.

Кристаллы SiC MOSFET находят свое применение в солнечных инверторах, системах управления приводом, высоковольтных преобразователях, импульсных источниках питания и зарядных устройствах электромобилей. SiC-технология позволяет

увеличить КПД и мощность, уменьшить габариты и вес устройства. Производство включает полный цикл, начиная с монокристаллов и подложек и заканчивая модулями. www.macrogroup.ru

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

блоки питания

41

Импульсные блоки питания универсального применения серий LM/LMF и LI/LIF компании MORNSUN

Владимир Рентюк Rvk.modul@gmail.com

Введение Компания с поэтическим названием MORNSUN (Morning Sun — «утреннее солнце») основана в 1998 году. Ее полное название — «Научно-технологическая компания MORNSUN» (MORNSUN Guangzhou Science & Technology Co., Ltd.) [1] — полностью себя оправдывает. Это один из немногих производителей блоков питания, который благодаря наличию собственной базы из четырех исследовательских центров имеет независимые права интеллектуальной собственности на интегральные схемы, инновационную конструкцию трансформаторов, систему сборки и дизайн своих продуктов. За последние 23 года компания MORNSUN подала более 900 патентных заявок на изобретения. Руководствуясь принципом обслуживания

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

Что предпочтительнее: разработать и изготовить или купить уже готовое, настроенное и испытанное устройство, со всеми необходимыми сертификатами и гарантиями? «Вопрос, конечно интересный…», но для импульсных AC/DC-блоков питания, особенно мощностью от 30 Вт и выше, практически всегда решается в пользу последнего — купить. Но если купить, то что именно? Не для всех приложений подходит «подешевле». В предлагаемой статье автор постарается дать ответ, представив продукцию одного из ведущих производителей импульсных блоков питания — компании MORNSUN. Преимущество этого изготовителя и поставщика в том, что он не только предлагает широкую гамму современных блоков питания индустриального класса, но и гарантирует отличное соотношение цены и качества.

«достойны доверия», компания открыла сваи филиалы в США и ФРГ и расширила дистрибьюторскую сеть на более чем 40 стран. Большая часть производимых компанией изделий находит применение в промышленных отраслях, а также в транспортной, энергетической сфере и медицине. Компания нацелена на выпуск качественной, а не дешевой (в прямом и переносном смысле) продукции. Как производитель блоков питания, китайская компания MORNSUN, которая с 2008 года уже прочно закрепилась на рынке Российской Федерации, может предложить оптимальные решения — от модулей мощностью 15 Вт до 1000‑Вт блоков питания. В этом диапазоне у компании имеется большой выбор устройств с универсальным и расширенным диапазоном входного напряжения, увеличенным индустриальным диапазоном

рабочих температур и выполнением требований в части безопасности и электромагнитной совместимости (ЭМС) (руководство по выбору [6]). Предлагаемые компанией MORNSUN импульсные блоки питания прошлых и новых поколений (поколения обозначаются индексом R в названии: например, R2 — это второе поколение) оптимальны для самого широкого спектра отраслей, таких как промышленная автоматизация, контрольноизмерительные приборы, зарядные станции, системы светодиодного освещения, электротехническое оборудование, электроснабжение систем «умного» дома, «Интернет вещей», медицина и т. д. Большинство продуктов компании MORNSUN получили сертификаты категорий UL, СЕ, CSA, СВ и DoE уровня V1. Статья знакомит читателей с двумя предлагаемыми компанией MORNSUN сериями импульсных блоков питания индустриального класса — LM/LMF и LI/LIF. Особенность блоков питания этих серий с индексом F — встроенный корректор коэффициента мощности (ККМ). При минимальном увеличении цены cosj блока повышается примерно с 0,6 до 0,94, что сокращает потери электроэнергии и дает немало преимуществ [3]. В ряде стран затраты на промышленную электроэнергию включают плату за корректировку коэффициента мощности, кроме того, нормативные требования по ККМ имеются в Европе и США. Коррекция коэффициента мощности повышает эффективность расхода электроэнергии, а сам коэффициент предназначен www.kite.ru

42

блоки питания

для представления эффективности электронных продуктов по отношению к электричеству. Чем больше коэффициент мощности, тем выше эффективность использования электроэнергии. Кроме чисто энергетического выигрыша, коррекция ККМ обеспечивает меньший уровень помех для электрического оборудования и меньшее загрязнение электросети. В противном случае наличие высокочастотных гармоник приводит к росту потерь, ухудшению изоляции и ее ускоренной деградации. Также помехи могут влиять или даже нарушать систему коммуникации оборудования.

Импульсные блоки питания серий LM/LMF универсального применения Импульсные блоки питания серий LM/LMF компании MORNSUN в кожухе для монтажа на шасси мощностью 15–1000 Вт — это высокотехнологичные продукты, предназначенные для самых разнообразных приложений, но ориентированные в первую очередь на индустриальный сектор. Блоки выполнены в виде конструкции, закрытой кожухом, с вентиляционными отверстиями в стандартных форм-факторах с винтовыми терминалами (рис. 1). Блоки питания серий LM/LMF компании MORNSUN имеют признанные международные сертификаты по безопасности и ЭМС и соответствуют требованиям стандартов, в том числе: • По требованиям безопасности: – IEC/EN/UL 62368 (оборудование аудио-, видео-, информационных и коммуникационных технологий); – IEC/EN 60335 (бытовые и аналогичные электрические приборы); – GB4943 (безопасность электронного оборудования в области аудио-, видеоаппаратуры, оборудования информационных и коммуникационных технологий, Китай); – IEC/EN 61558 (безопасность силовых трансформаторов, блоков питания, реакторов и аналогичных изделий).

• По уровню излучаемых электромагнитных помех — CISPR32/EN 55032 (в основном класс B).

• По невосприимчивости к электростатическим разрядам (ESD) — IEC/EN 61000-4-2 (контактный разряд ±6 кВ, воздушный разряд ±8 кВ).

• По устойчивости к излучаемому радиочастотному электромагнитному полю — IEC/EN 61000-4-3 (10 В/м).

• По устойчивости к электрическим быстрым переходным процессам (пачкам) — IEC/EN 61000-4-4 (±2 кВ).

• По устойчивости к выбросу напряжения — IEC/EN 61000-4-5 (между фазой и нейтралью ±2 кВ/между фазой/нейтралью на «землю» ±4 кВ).

Рис. 1. Серия импульсных AC/DC-блоков питания LM/LMF компании MORNSUN

• По невосприимчивости к кондуктивным возмущениям, индуцированным радиочастотными полями, — IEC/EN 61000-4-6 (10 В с. к. з.).

• По устойчивости к провалам напряжения, кратковременным прерываниям и изменениям напряжения — IEC/EN 61000-4-11 (0%, 70%). Примечание. Для уточнения наличия сер‑ тификатов и соответствий на конкретное изделие обратитесь к их спецификациям. Серия LM/LMF AC/DC импульсных блоков питания компании MORNSUN представлена тремя группами: • Для условий нестабильной электросети: LM/LMF с входным напряжением 85– 305 В (AC)/120–430 В (DC), рассчитанных на мощность 15–320 Вт.

• Для условий стабильной электросети: LM/LMF с входным напряжением 85– 264 В (AC)/120–370 В (DC), рассчитанных на мощность 35–1000 Вт. Выдерживают входное напряжение 300 В переменного тока в течение 5 с.

• С несколькими выходными напряжениями: LM/LMF на мощность 30–150 Вт. Примечание. Особенностью серий с индек‑ сом F является наличие встроенного активного корректора коэффициента мощности (ККМ). Для рассматриваемых импульсных блоков питания компании MORNSUN гарантируется высокая надежность в диапазоне рабочих температур –30…+70 °C (без внешнего подогрева). Все блоки имеют встроенную защиту

от перенапряжения на выходе с самовосстановлением (технология Hiccup; буквально: «икота», подразумевается кратковременное периодическое включение блока до снятия перегрузки) в течение не более 2–5 с от короткого замыкания на выходе блока, защиту от скачков тока при перегрузке любого из выходов и защиту от превышения выходных напряжений. Блоки могут эксплуатироваться на высотах до 5000 м над уровнем моря. Кроме того, блоки питания этих серий отличает низкое потребление тока в дежурном режиме и высокий КПД. Сравнение зависимости КПД одного из импульсных блоков питания компании MORNSUN (мощностью 75 Вт) с типовым изделием аналогичной мощности из имеющихся на рынке показано на рис. 2 [2]. В серии LM/LMF импульсных блоков питания с максимальным входным напряжением 305 В (AC) представлено 67 позиций, которые сведены в таблицы 1 и 2 соответственно. Для всех блоков серии LM/LMF этого типа электрическая прочность изоляции между входом и выходом блоков питания гарантируется на уровне не ниже 4000 В переменного тока. В серии LM/LMF импульсных блоков питания с максимальным входным напряжением 264 В (AC) представлено 110 позиций, которые сведены в таблицы 3 и 4 соответственно. Для всех блоков серии LM/LMF этого типа электрическая прочность изоляции между входом и выходом блоков питания гаранти-

Рис. 2. Сравнение КПД блоков питания компании MORNSUN с типовыми изделиями, присутствующими на рынке

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

блоки питания

Таблица 1. Серия AC/DC импульсных блоков питания типа LM (VINmax = 305 В) компании MORNSUN Наименование

Мощность, Вт*

Выход

LM15-23Bxx

15

3,3 В/3 А; 5 В/3 А; 10 В/1 А; 12 В/1,3 А; 24 В/0,62 А; 48 В/0,32 А

КПД, %* 83

LM25-23Bxx

25

3,3 В/6 А; 5 В/5 А; 12 В/2,1 А; 15 В/1,7 А; 24 В/1,1 А; 48 В/0,57 А

88

LM35-23Bxx

35

5 В/7 А; 12 В/3 А; 15 В/2,4 А; 24 В/1,5 А

87

LM50-23Bxx

50

5 В/10 А; 12 В/4,2 А; 15 В/3,4 А; 24 В/2,2 А; 36 В/1,45 А; 48 В/1,1 А

90

LM75-23Bxx

75

5 В/14 А; 12 В/6 А; 15 В/5 А; 24 В/3,2 А; 36 В/2,1 А; 48 В/1,6 А; 55 В/1,36 А

90,5

LM100-23Bxx

100

5 В/19 А; 12 В/8,5 А; 15 В/7 А; 24 В/4,5 А; 36 В/2,8 А; 48 В/2,3 А

91

LM150-23Bxx

150

12 В/12,5 А; 15 В/10 А; 24 В/6,5 А; 36 В/4,3 А; 48 В/3,3 А; 55 В/2,73 А

89

Таблица 2. Серия AC/DC импульсных блоков питания типа LMF (VINmax = 305 В) с ККМ компании MORNSUN Наименование

Мощность, Вт*

Выход

КПД, %*

LMF75-23Bxx

75

5 В/14 А; 12 В/ 6 А; 15 В/5 А; 24 В/3,2 А; 48 В/1,6 А

88

LMF100-23Bxx

100

12 В/8,5 А; 15 В/6,7 А; 24 В/4,2 А; 48 В/2,1 А

87

LMF150-23Bxx

150

12 В/12,5 А; 15 В/10 А; 24 В/6,3 А; 48 В/3,2 А

85,5

LMF200-23Bxx

200

12 В/16,7 А; 15 В/13,4 А; 24 В/8,4 А; 36 В/5,6 А; 48 В/4,2 А

88

200

5 В/40 А

85

LMF320-23Bxx

320

4 В/60 А; 5 В/60 А 12 В/27,6 А; 15 В/21,4 А; 24 В/13,4 А; 27 В/11,9 А; 48 В/6,7 А

84

Примечание. * Точное значение проверяйте в спецификации на конкретное изделие.

руется на уровне не ниже 4000 В переменного тока. Блоки питания серии LM с несколькими выходными напряжениями (26 позиций) сведены в таблицу 5. Области применения импульсных блоков питания LM/LMF компании MORNSUN [4] (практические примеры применений доступны в [5]): • Контроль и управление в промышленности, «умное» производство: – инверторы; – распределенная система управления; – программируемые логические контроллеры; – удаленные терминалы; – робототехника; – сварочные аппараты; – станки с ЧПУ.

• Системы «умного» здания: – турникеты; – автоматические двери; – информационные экраны; – системы вентиляции, отопления и кондиционирования воздуха.

• «Умный» транспорт: – система электронного сбора платы за проезд; – турникеты; – светодиодный индикатор трафика.

• Защита окружающей среды: – системы мониторинга качества воздуха/ воды/почвы; – оборудование для сортировки мусора.

• Другое специальное оборудование: – почтовые ящики экспресс-доставки; – торговые автоматы; – точки зарядки напряжения постоянного тока; – различное медицинское оборудование, в том числе в качестве одного средства защиты.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

переход к которым доступен через поиск на сайте компании или через гиперссылки в таблице выбора продукта на странице [8].

Импульсные блоки питания серий LI/LIF на DIN-рейку для промышленной и домашней автоматизации

Примечание. * Точное значение проверяйте в спецификации на конкретное изделие.

LMF200-23B05

43

Для удобства потребителей при заказе некоторых типов импульсных блоков питания серии LM/LMF доступно конформное покрытие печатной платы (индекс Q), предохраняющее ее от влаги и загрязнений, и наличие защитной крышки на терминалах (индекс С) для исключения случайных коротких замыканий по выходу. Чертежи и полные технические характеристики, включая графики зависимостей и допустимую емкость выходного конденсатора, представлены в соответствующих спецификациях (datasheet),

Серия LI/LIF AC/DC импульсных блоков питания от компании MORNSUN мощностью 15–480 Вт представляет собой экономическое и энергоэффективное ультратонкое решение для стандартной установки на DINрейку (рис. 3). Серия LI/LIF AC/DC импульсных блоков питания компании MORNSUN (рис. 3) представлена тремя группами (руководство по применению [7]): • LI мощностью 75–100 Вт в металлическом корпусе; • LI мощностью 15–150 Вт в пластмассовом корпусе; • LIF мощностью 120–480 Вт в металлическом корпусе. Примечание. Особенностью серии с индек‑ сом F является наличие встроенного активного корректора коэффициента мощности (ККМ). Для рассматриваемых импульсных блоков питания с установкой на DIN-рейку компании MORNSUN гарантируется высокая надежность в диапазоне рабочих температур –30…+70 °C. Все блоки имеют встроенную защиту с самовосстановлением (технология Hiccup), защиту от превышения тока, превышения выходных напряжений и температуры. Блоки могут эксплуатироваться на вы-

Таблица 3. Серия AC/DC импульсных блоков питания типа LM (VINmax = 264 В) компании MORNSUN Наименование

Мощность, Вт*

Выход

LM35-20Bxx LM35-22Bxx LM35-22B12-DX LM50-20Bxx LM50-22Bxx LM75-20Bxx LM75-22Bxx LM100-20Bxx LM100-22Bxx LM150-20Bxx LM150-22Bxx LM150-12M1224 LM200-10Bxx LM200-12Bxx LM350-10Bxx LM350-12Bxx LM450-12Bxx LM600-12Bxx

35

5 В/7 А; 12 В/3 А; 15 В/2,4 А; 24 В/1,5 А

КПД, %* 88

35

12 В/3 А

86

50

5 В/10 А; 12 В/4,2 А; 15 В/3,4 А; 24 В/2,2 А; 36 В/1,45 А; 48 В/1,1 А

88

75

5 В/15 А; 12В/ 6,3 А; 15 В/5 А; 24 В/3,2 А; 48 В/1,6 А

91,5

100

5 В/18 А; 12 В/8,5 А; 15 В/7 А; 24 В/4,5 А; 36 В/2,5 А; 48 В/2,3 А

91

150

12 В/12,5 А; 15 В/10 А; 24 В/6,5 А; 36 В/4,3 А; 48 В/3,3 А

89

150

Выходное напряжение можно переключать между 12 В/12,5 А и 24 В/6,25 А

81/84

200

5В/30А; 12В/17А; 15В/14А; 24В/8,8А; 36В/5,9А; 48В/4,4А

89,5

350

5 В/60 А; 12 В/29 А; 15 В/23,2 А; 24 В/14,6 А; 36 В/9,7 А; 48 В/7,3 А

450 600

12 В/37,5 А; 15 В/30 А; 24 В/18,8 А; 27 В/16,7 А; 36 В/12,5 А; 48 В/9,4 А 12 В/50 А; 15 В/40 А; 24 В/25 А; 27 В/22,2 А; 36 В/16,6 А; 48 В/12,5 А

88 89 88 88

Примечание. * Точное значение проверяйте в спецификации на конкретное изделие.

Таблица 4. Серия AC/DC импульсных блоков питания типа LMF (VINmax = 264 В) с ККМ компании MORNSUN Наименование

Мощность, Вт*

Выход

КПД, %*

LMF75-20Bxx

75

5 В/15 А; 12 В/6,3 А; 15 В/5 А; 24 В/3,2 А; 48 В/1,6 А

88

LMF600-20Bxx

600

12 В/50 А; 15 В/40 А; 24 В/25 А; 27 В/22,3 А; 36 В/16,7 А; 48 В/12,6 А

94

LMF1000-20Bxx

1000

12 В/80 А; 15 В/64 А; 24 В/42 А; 27 В/37,3 А; 36 В/28,8 А; 48 В/21 А; 54 В/18,7 А + вспомогательный выход 5 В/2 А

94

Примечание. * Точное значение проверяйте в спецификации на конкретное изделие.

www.kite.ru

блоки питания

44

сотах до 5000 м над уровнем моря. Кроме того, блоки питания этих серий отличает низкое потребление тока в дежурном режиме и высокий КПД, допускается подключение на одни и те же входные терминалы входных напряжений как переменного, так и постоянного тока. В этих сериях имеются блоки питания с расширенным диапазоном входных напряжений, позволяющих использовать их в условиях нестабильной электросети. Все блоки питания серий LI/LIF имеют встроенный светодиодный индикатор включения. Импульсные блоки питания серий LI/LIF компании MORNSUN имеют признанные международные сертификаты по безопасности и ЭМС и соответствуют требованиям стандартов, в том числе: • По требованиям безопасности: – IEC/EN/UL 62368-1 (оборудование аудио-, видео-, информационных и коммуникационных технологий); – IEC/EN 60335 (бытовые и аналогичные электрические приборы); – UL 508 (приборы промышленных систем управления и установок); – GB4943 (безопасность электронного оборудования в области аудио-, видеоаппаратуры, оборудования информационных и коммуникационных технологий, Китай); – IEC/EN 61558 (безопасность силовых трансформаторов, блоков питания, реакторов и аналогичных изделий).

• По уровню излучаемых электромагнитных помех — CISPR32/EN 55032 CLASS B.

Таблица 5. Серия AC/DC импульсных блоков питания LM компании MORNSUN с несколькими выходными напряжениями Входное напряжение Наименование

Мощность, Вт1 VIN (AC)

VIN (DC)

LM30-00J0512-03 LM35-10Cxx2

30 35

85–264 85–264

100–370 100–370

LM35-10Dxx2

35

85–264

100–370

LM50-10Cxx2

50

85–264

100–370

2

LM50-10Dxx

50

85–264

100–370

LM50-10A122 LM60-12A15

50 60

85–264 165–264

100–370 180–370

LM65-10D0524-202

65

90–264

120–370

2

LM75-10Cxx

75

90–264

120–370

LM75-10Dxx2

75

90–264

120–373

LM90-12A153

90

165–264

180–370

LM100-10Cxx2

100

90–264

120–370

LM100-10Dxx2

100

90–264

120–370

LM150-12A153

100

165–264

180–370

• По невосприимчивости к электростатическим разрядам (ESD) — IEC/EN 61000-4-2 (контактный разряд ±6 кВ, воздушный разряд ±8 кВ).

• По устойчивости к излучаемому радиочастотному электромагнитному полю — IEC/EN 61000-4-3 (10 В/м).

Таблица 6. Серия AC/DC импульсных блоков питания типа LI мощностью 75–100 Вт компании MORNSUN, выполненных в металлическом корпусе на DIN-рейку Входное напряжение Мощность, Вт1

Выход VIN (AC)

КПД, %

+5 В/2 А; ±12 В/0,3 А; +24 В/0,5 А 5 В/3 А; ±12 В/1 А +5 В/4 А; +12 В/1 А +5 В/2,2 А; +24 В/1 А +5 В/4 А; +12 В/2 А; –12 В/0,5 А +5 В/4 А; +15 В/1,5 А; –15 В/0,5 А +5 В/3 А; +24 В/1 А; +12 В/1 А +5 В/6 А; +12 В/2 А +5 В/4 А; +24 В/1,4 А ±12 В/2,1 А ±15 В/2 А +5 В/4 А; 24 В/2 А +5,1 В/4 А; 24 В/2 А +5 В/6 А; +12 В/2,8 А; –12 В/0,5 А +5 В/6 А; +15 В/2,3 А; –15 В/0,5 А +5 В/5 А; +24 В/1,5 А; +12 В/1 А +5 В/7 А; +12 В/3 А +5 В/5 А; +24 В/2 А ±15 В/3 А +5 В/8 А; +12 В/3,5 А; –12 В/1 А +5 В/7 А; +15 В/3 А; –15 В/1 А +5 В/6 А; +24 В/2,2 А; +12 В/1,5 А +5 В/5 А; +24 В/3 А +12 В/4 А; +24 В/2 А ±15 В/5 А

83 81 818 3 81 83 85

2000 3000 3000 3000

84

3000

83 82

3000 3000

82

3000

82 82 84 82 84 82 84 85 85 85 87 85

3000 3000 3000 3000 3000 3000

Примечание. 1 Точное значение проверяйте в спецификации на конкретное изделие.

2 Выдерживает испытание на вибрацию 5g (49 м/с2).

3 Пониженный уровень пульсаций и шумов.

Рис. 3. Серия AC/DC импульсных блоков питания LI/LIF компании MORNSUN

Наименование

Электрическая прочность изоляции, В

Выход

КПД, %

Электрическая прочность изоляции, В

VIN (DC)

LI75-20Bxx LI75-20BxxR2S

75

90–264

120–370

12 В/6,3 А; 24 В/3,2 А; 48 В/1,6 А

86, 89, 90

4000

LI120-20BxxR2

120

90–264

127–370

12 В/10 А; 24 В/5 А; 48 В/2,5 А

85, 88, 89

4000

LI120-13Bxx

120

85–305

100–430

12 В/10 А; 24 В/5 А

89, 81

3000

LI120-20BxxR2S

120

90–264

127–370

12 В/10 А; 24 В/5 А; 48 В/2,5 А

85, 88, 89

4000

LI150-13B292

150

85–305

100–430

29 В/5,2 А

85

3000

Примечание. 1 Точное значение проверяйте в спецификации на конкретное изделие.

2 Морское исполнение, допускается применение в электрифицированном газовом оборудовании, устойчив к соляному туману.

• По устойчивости к электрическим быстрым переходным процессам (пачкам) — IEC/EN 61000-4-4 (±2 кВ).

• По устойчивости к выбросу напряжения — IEC/EN 61000–4-5 (между фазой и нейтралью ±2 кВ/между фазой/нейтралью на «землю» ±4 кВ).

• По невосприимчивости к кондуктивным возмущениям, индуцированным радиочастотными полями, — IEC/EN 61000-4-6 (10 В с. к. з.).

• По устойчивости к провалам напряжения, кратковременным прерываниям и изменениям напряжения — IEC/EN 61000-4-11 (0%, 70%). Примечание. Для уточнения наличия сер‑ тификатов и соответствий на конкретное изделие обратитесь к их спецификациям. В серии LI импульсных блоков питания мощностью 75–100 Вт с установкой на DINрейку, выполненных в металлическом корпусе, представлено 15 позиций, которые сведены в таблицу 6. В серии LI импульсных блоков питания мощностью 15–150 Вт с установкой на DINрейку, выполненных в пластмассовом корпусе, представлено 23 позиции, которые сведены в таблицу 7. Электрическая прочность изоляции всех блоков питания этого типа не ниже 4000 В переменного тока. В серии LIF импульсных блоков питания мощностью 120–480 Вт с ККМ, выполненных в металлическом корпусе под установку на DIN-рейку, представлено 14 позиций, которые сведены в таблицу 8. Электрическая прочность изоляции всех блоков питания этого типа не ниже 3000 В переменного тока.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

блоки питания

Области применения импульсных блоков питания LI/LIF компании MORNSUN [4] (практические примеры доступны в [5, 9]) — это промышленная автоматизация, машиностроение, шкафы управления, энергетика, шкафы управления автоматизации зданий и сооружений и т. д. Преимущества при использовании блоков питания LI/LIF: • установка в стандартные шкафы; • имеются варианты в металлических корпусах; • установка без сверления; • для подключения не используется пайка; • простая замена; • регулируемое выходное напряжение, компенсация потерь в линии; • привычное для индустриальной среды исполнение и дизайн, не требующие переработки имеющегося проекта. Чертежи и полные технические характеристики, включая графики зависимостей и допустимую емкость выходного конденсатора, доступны в соответствующих спецификациях (datasheet), переход к которым возможен через поиск на сайте компании или через гиперссылки в таблице выбора продукта на странице [8].Учитывая характеристики рассмотренных продуктов серии LI/LIF, наиболее интересными для российского рынка могут быть импульсные блоки питания следующих вариантов исполнения: LI30, LI60, LI100, LI75, LIF120, LIF240, LIF480.

45

Таблица 7. Серия AC/DC импульсных блоков питания типа LI мощностью 15–150 Вт компании MORNSUN, выполненных в пластмассовом корпусе на DIN-рейку

Наименование

Мощность, Вт1

LI15-20BxxPR2 LI30-20BxxPR22 LI60-20BxxPR22 LI100-20BxxPR22 LI150-20BxxPR2

15 30 60 110 150

Входное напряжение VIN (AC)

VIN (DC)

85–264 85–264 85–264 85–264 85–264

120–370 120–370 120–370 120–370 120–370

Выход

КПД, %1

5 В/2,4 А; 12 В/1,25 А; 15 В/1 А; 24 В/0,63 А; 48 В/0,32 А 5 В/3 А; 12 В/2 А; 15 В/2 А; 24 В/1,5 А; 48 В/0,75 А 5 В/6,5 А; 12 В/4,5 А; 15 В/4 А; 24 В/2,5 А; 48 В/1,25 А 12 В/7,5 А; 15 В/6,5 А; 24 В/4,2 А; 48 В/2,1 А 12 В/11,3 А; 15 В/9,5 А; 24 В/6,25 А; 48 В/3,2 А

87 90 91 90 91,5

Примечание. 1 Точное значение проверяйте в спецификации на конкретное изделие.

2 Выдерживают входное напряжение 300 В переменного тока в течение 5 с.

Таблица 8. Серия AC/DC импульсных блоков питания компании MORNSUN типа LIF с ККМ мощностью 120–480 Вт, выполненных в металлическом корпусе на DIN-рейку Входное напряжение Наименование

Мощность, Вт1

Выход VIN (AC)

КПД, %1

VIN (DC)

LIF120-10BxxR2

120

85–264

120–370

12 В/10 А; 24 В/5 А; 48 В/2,5 А

94

LIF120-10BxxR2S-EX

120

85–264

120–370

12 В/10 А; 24 В/5 А; 48 В/2,5 А

93,5

LIF240-10BxxR22

240

85–264

120–370

12 В/16 А; 24 В/10 А; 48 В/5 А

94

LIF240-10BxxR2S2

240

85–264

120–370

12 В/16 А; 24 В/10 А; 48 В/5 А

94

LIF480-10BxxR2

480

85–264

120–370

24 В/20 А; 48 В/10 А

94

Примечание. 1 Точное значение проверяйте в спецификации на конкретное изделие.

2 150% пиковой нагрузки на выходе в течение 3 с.

Особенности и преимущества импульсных блоков питания серий LM/LMF и LI/LIF Блоки питания серий LM/LMF и LI/LIF, кроме общих высоких характеристик в части КПД, стабильности и соответствия требованиям стандартов, имеют и другие особенности. Среди них — устойчивость к нестабильности электросети, которая может быть вызвана проблемами генерации или наличием на линии электропитания мощных коммутируемых нагрузок, причем не обязательно индуктивных. Индуктивностью здесь проявляют себя провода линии электропередачи. В результате возникает картина, представленная на рис. 4 [12]. Как можно видеть из приведенных ранее таблиц, часть блоков питания серий LM/LMF и LI/LIF изначально рассчитаны на более широкий (85–305 В переменного тока), чем обычный (85–264 В переменного тока), номинальный диапазон входного напряжения. Соответственно, эти блоки будут безотказно работать априори. Часть блоков питания рассчитаны на условия нормальной электросети, но выдерживают перегрузки по входу до уровня 305 В (АС) в течение 5 с. Кроме того, их входные конденсаторы выбраны на рабочее напряжение не 400 В, как обычно, а на 450 В [3]. Сравнение приведено на рис. 5.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

Рис. 4. Влияние нестабильности электросети на элементы блока питания, причины и следствия

Еще один вопрос касается трактовки диапазона рабочих температур. Чаще всего разработчики смотрят на верхний предел температуры, и это правильно, но что с нижним? Некоторые изготовители, нормируя этот параметр, не указывают несколько важных моментов — например, время готовности и пуска блока питания при низких температурах. А тут не все просто. В системе может быть несколько источников питания, а кроме этого, реле, плата сбора сигналов, контроллер, дисплей, зарядное оборудование и т. д. Все эти устройства запрашивают инициализацию для управления, отображения и работы. Принимая во внимание временную последовательность установления каждого набора выходного напряжения (яркий пример —

включение блока ATX [13], где играет роль задержка в 300 мс), блок управления необходимо быстро инициализировать при любой заявленной для него температуре. В противном случае устройство выйдет из строя и выдаст сигнал тревоги, как это показано на рис. 6. Итак, возникает ситуация по типу — «Хьюстон, у нас проблема!». Что первое приходит на ум разработчику: ошибка запуска, ошибка системного времени? И после анализа и измерений выясняется: виновен блок питания, и закрадывается мысль: а не использовать ли нам вспомогательный обогрев? «И ответ ужасно прост и ответ единственный» — нужно было выбирать блок питания www.kite.ru

46

блоки питания

Рис. 5. Поведение блоков питания серий LM/LMF и LI/LIF компании MORNSUN при перегрузке по входу

Рис. 6. Отказ реле по причине затянутого времени запуска блока питания

Рис. 7. Блоки питания компании MORNSUN показывают стабильные характеристики кондуктивных электромагнитных помех как при комнатной, так и при высокой температуре

с честно нормированными характеристиками. Так, блоки питания серий LM/LMF и LI/LIF компании MORNSUN (за несколькими исключениями) нормированы для работы при –30 °C и гарантируют быстрый запуск при этой низкой температуре (для одних — за 2 с, для других — за 4,5 с) [3, 12]. И никакой головной боли, и дополнительный нагрев не требуется. Но это еще не все. Есть еще один подводный камень, о котором знают не все разработчики: уровень ЭМП блока питания тоже мо-

жет зависеть от температуры! Иллюстрация сказанного — на рис. 7. Это же касается и излучаемых ЭМП (более подробно в [3, 12]). Если сравнивать в целом, то с диапазоном рабочих температур ситуация следующая: большинство блоков питания широкого применения предназначены для работы в диапазоне –20…+60 °C, блоки индустриального класса — в диапазоне –25…+70 °C, компания MORNSUN предлагает устройства, работающие в диапазоне температур –30…+70 °C.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

блоки питания

47

Рис. 8. Блок-схема решения компании MORNSUN для обеспечения стабильного функционирования распределенной системы управления технологическим процессом на основе ПЛК

Рис. 9. Решение компании MORNSUN для систем газовой сигнализации, противопожарного мониторинга, детекторов безопасности и т. д., с использованием выпускаемых компанией блоков питания и модулей DC/DC-преобразователей

Импульсные блоки питания: практические примеры применения Программируемый логический контроллер (ПЛК) системы распределенного управления, проблема питания решена Для реализации системы управления технологическим процессом на основе ПЛК, такой как распределенная система управления, одному из клиентов потребовался закрытый источник питания мощностью 200 Вт или 240 Вт в соответствии с идеологией конструкции — с монтажом на DIN-рейку. Первоначально выбор пал на блок питания LRS‑200-24 компании Mean Well, но в системе имелись сбои при работе, которые не удалось устранить. Проведенный специалистами компании MORNSUN анализ показал, что проблема с программно-аппаратной частью, отвечающей за функционирование системы, связана с наличием нескольких модулей ПЛК и большой некоррелированной по времени нагрузкой. После переключения

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

системы питания на блок LM200-10B24/LIF240-10B24 компании MORNSUN проблему удалось устранить. Блок-схема решения показана на рис. 8. Газовая сигнализация, противопожарный мониторинг, детектор безопасности и т. д. Шкаф управления централизованно управляет внутренним оборудованием, при этом использует шину 24 В постоянного тока в качестве внутреннего детектора сбора данных для централизованного электропитания. Следовательно, в зависимости от количества внутренних детекторов сбора данных требования к питанию AC/DC различаются. Кроме того, необходимо обеспечить заряд резервного аккумулятора, а выходное напряжение должно регулироваться. Решение компании MORNSUN на основе блока питания LM12010B24 с использованием ряда выпускаемых компанией модулей DC/DC-преобразователей представлено на рис. 9. www.kite.ru

48

блоки питания

Рис. 10. Решение компании MORNSUN для низковольтного статического генератора переменного тока, с использованием выпускаемых компанией блоков питания и модулей DC/DC-преобразователей

Рис. 11. Предлагаемое компанией MORNSUN решение для питания дисплея станка с ЧПУ

Низковольтный статический генератор переменного тока (SVG) Блок питания LM50-20B15 подает напряжение на привод и детекторную часть SVG, где требования к мощности основного источника питания варьируются в зависимости от его мощности. Как правило, здесь применяется метод принудительного воздушного охлаждения. Благодаря тому что блок питания LM150-20B24 по ЭМС соответствует классу 4, имеет надежную изоляцию между входом и выходом, выдерживающую 3000 В переменного тока, он может предназначаться для питания вентилятора вместе с питанием всего устройства в целом. Решение компании MORNSUN на основе блоков питания LM150-20B24, LM50-20B15 и выпускаемого компанией модуля DC/DC-преобразователя представлено на рис. 10. Станки с числовым программным управлением (ЧПУ) Для питания дисплея станка с ЧПУ требовалось решение электропитания от сети энергоснабжения с возможными выбросами напряжения до 300 В длительностью до 5 с, при этом должны были быть приняты меры, гарантирующие выполнение требований по ЭМС и устойчивость к внешним ЭМП. Предлагаемое компанией MORNSUN решение для питания дисплея станка с ЧПУ приведено на рис. 11. Для питания дисплея был использован блок питания в виде AC/DC-преобразователя второго поколения LI60-20B24PR2 размерами 92,665258 мм (стандарт DIN43880) с установкой на DIN-рейку. Блок питания имеет высокое напряжение изоляции: 4000 В переменного тока и, кроме устойчивости к превышению напряжения сети до 300 В, отвечает требованиям по устойчивости к электростатиче-

ским разрядам степени жесткости 3 (контактный разряд ±6 кВ/воздушный разряд ±8 кВ) и по уровню излучения ЭМП класса B.

Заключение Компания MORNSUN имеет в своем распоряжении полный цикл производства и поставляет на рынок модульных блоков питания широкий спектр качественных решений, сбалансированных по цене и качеству: AC/DC- и DC/DC-преобразователи, миниатюрные трансформаторы, ЭМС/ЭМИ-фильтры и прочее. Продукция компании пользуется заслуженным спросом и применяется многими известными компаниями-производителями, такими как Siemens, Honeywell, General Electric, ABB, и другими. Компания MORNSUN нацелена на дальнейшее развитие своей продукции и ее продвижение как на мировых рынках, так и на рынке Российской Федерации. В качестве заключения обратимся к корпоративной философии компании — «культуре верблюда» (camel culture). Дело в том, что основатель и президент компании Инь Сянъян любит сравнивать себя с верблюдом, который твердо стоит на земле и непреклонно шагает вперед. Следуя этому принципу, компания MORNSUN старается: «Заявлять меньше, делать больше, твердо стоять на земле и самоотверженно трудиться». Вполне возможно, что продукция компании позволит и вам твердо стоять на ногах и добиваться успехов, не без труда, без которого, как известно, не вытащишь и рыбку из пруда. К этому нам не привыкать. И уж точно вам нет необходимости проектировать и изготавливать собственный блок питания, если, конечно, вы не планируете его как рыночное изделие. Полная информация о продуктах компании доступна на ее сайте в английской и русской версиях [10, 11]. n

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

блоки питания

Литература 1. www.youtube.com/watch?v=aY32-kXf8QY 2. www.edgeelectronics.com/media/pdf/mornsun_enclosed_acdc_f lyer.pdf 3. AC DC Enclosed Power Supply (with PFC) // MORNSUN. Overseas FAE Dep. 2020. No. 11.

4. www.mornsun-power.com/html/support-detail/516.html 5. Enclosed AC DC convertor Introduction and Typical Application. MORNSUN Science & Technology Co., Ltd. 6. Enclosed Switching Power Supply Selection Guide (2021). www.mornsun-power. com/public/uploads/enfiles/mornsun_enclosed_switching_power_supply_ selection_guide_(2021).pdf

новости

49

7. MORNSUN Enclosed & DIN-rail AC DC convertor Application Guide (2020). www.mornsun-power.com/public//uploads/enfiles/mornsun_enclosed_&_ din-rail_acdc_converters_application_guide_(2020).pdf 8. AC/DC Enclosed SMPC. www.mornsun-power.com/html/products/19/ enclosed-smps.html 9. MORNSUN LI AC-DC introduction AC DC-LI series // MORNSUN, 2020.

10. www.mornsun-power.com/html/products.html 11. www.mornsunpower.ru/html/products.html 12. AC DC Enclosed Power Supply (without PFC). MORNSUN, Overseas FAE Dep. 2021.

13. Рентюк В. Организация питания индустриальных компьютеров от шин напряжения постоянного тока // Компоненты и технологии. 2015. № 2.

СКУД

Электронная проходная СКУД — коробочное решение от АО «Микрон» Электронная проходная поставляется в виде «коробочного» продукта, который не требует дорогостоящего внедрения, специальных навыков и настроек. Оборудование готово к использованию — достаточно установить турникет и включить его согласно прилагаемой инструкции. В комплект поставки входит: • Турникет «трипод» со встроенным контроллером и двумя считывателями, а также датчиком измерения температуры тела по запястью, планки «антипаника», блок питания на 12 В — 2 шт.

• Картоприемник со встроенным считывателем, блок питания на 12 В — 1 шт.

• Комплект ограждений — 1 комплект.

• Программатор карт СКУД — 1 шт.

• АРМ охранника с предустановленной операционной системой Windows и программным обеспечением СКУД «Микрон» (системный блок, монитор, мышь, клавиатура) — 1 шт.

• Карты СКУД — 500 шт. Под заказ за дополнительную плату «Электронная проходная» может быть дополнительно оснащена биометрией (двухфакторная идентификация посетителей через терминал или видеокамеру и карту СКУД), а также считывателем Q (модуль covid-free). www.mikron.ru

Реклама

Во время пандемии каждой организации очень важно контролировать состояние здоровья как своих работников, так и посетителей. АО «Микрон» предлагает к поставке электронную проходную, оборудованную датчиком измерения температуры. Данное решение представляет программноаппаратный комплекс, который предназначен для контроля и управления доступом на объект. ПАК «Электронная проходная «Микрон» может быть интегрирован с 1С, охранными системами, видеонаблюдением, тепловизорами и другими системами, обеспечивающими контроль доступа на объекты. Решение подходит в том числе для объектов критической инфраструктуры.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

www.kite.ru

50

блоки питания

Источники питания Mean Well для электрических зарядных станций и зарядных устройств Максим Орлов maksim.orlov@eltech.spb.ru

З

ащита окружающей среды и бережное отношение к ресурсам, включая энергетические ресурсы, с каждым днем становится все более актуальной проблемой планетарного масштаба. Мировая тенденция поступательного внедрения различных видов электротранспортных средств во все сферы жизнедеятельности человечества способствует сохранению экосистемы нашей планеты, а также обеспечивает новый уровень комфорта жизни современных людей. Благодаря прогрессу в технологиях и материалах новые решения в производстве аккумуляторных батарей позволяют новым батареям электропитания становиться все более легкими, тонкими, обладать большей емкостью, увеличенным сроком службы и быстрой зарядкой. Что касается типов аккумуляторных батарей, сегодня наблюдается постепенная замена свинцово‑кислотных батарей литий-ионными источниками питания. Литий-ионные батареи широко распространены в современных автономных

В статье представлены материалы о новых программируемых импульсных источниках питания Mean Well для зарядных устройств и электрических зарядных станций аккумуляторных батарей.

электронных устройствах из-за их высокой плотности энергии, отсутствия эффекта памяти и низких характеристик саморазряда. С увеличением количества новых электротранспортных средств возникает все большая потребность в малогабаритных мощных зарядных устройствах и зарядных станциях. Компания «ЭЛТЕХ Компонент» представляет линейку программируемых источников питания Mean Well для зарядных устройств и электрических зарядных станций аккумуляторных батарей, полностью построенных на цифровой схемотехнике с поддержкой протоколов CANBus/PMBus, которые способны обеспечивать заряд как проверенных временем свинцово‑кислотных батарей, так и различных типов литийионных батарей. Традиционные зарядные устройства имеют большой объем, тяжелый вес и низкую эффективность. Mean Well создал технологические решения своих программируемых источников питания, достигнув рекордной удельной мощности

до 37 Вт на 1 кубический дюйм устройства. В силу своей богатой функциональной насыщенности и высокой удельной мощности программируемые источники питания Mean Well уже используются в автоматических электрических зарядных станциях AGV роботизированных складских терминалов Тайваня.

AGV — автоматически управляемая тележка (Automatic Guided Vechicle), или робот-транспортер с электроприводом и электропитанием от аккумуляторных батарей.

AGV роботы-транспортеры предназначены для перемещения грузов по программно управляемой траектории в автономном режиме без участия человека. В созданных на Тайване автоматических электрических зарядных станциях предусмотрена схема подключения двух источников питания Mean Well RPB‑1600-48, установленных параллельно. Когда AGV робот-транспортер возвращается к зарядной станции, система определяет состояние подключения порта с помощью PMBus и активирует зарядное устройство для зарядки аккумулятора. Как показано на фотографии, PMBus-система автоматически выбирает соответствующий ток зарядки аккумуляторных блоков AGV и выдает обратно по каналу связи телеметрическую информацию об уровне заряда и о завершении процедуры автоматической зарядки аккумуляторных батарей роботов‑транспортеров. Линейка программируемых источников питания Mean Well не только упрощает управление и мониторинг систем электропитания автоматических зарядных станций, но и предлагает различные форм-факторы, мощности и варианты систем охлаждения: • HEP‑1000, RPB/RSP‑1600/2000, BIC‑2200 и DPU‑3200 для применения в общих решениях; • RCP‑1600/2000 и DRP‑3200 для применения в 19‑дюймовых шкафах систем электропитания; • UHP‑1500/2500, PHP‑3500/3500‑HV с безвентиляторным или с водяным охлаждением.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

блоки питания

51

Все перечисленные типы источников питания Mean Well поддерживают протоколы CANBus/PMBus и предназначены для приложений, требующих интеллектуального управления и мониторинга.

Краткая справка о протоколах CANBus/PMBus, поддерживаемых программируемыми ИП производства Mean Well Шина управления питанием (PMBus) использует две двунаправленные линии, последовательную линию данных SDA (Serial Data Line) и последовательную линию синхронизации SCL (Serial Clock Line), это означает, что ей нужны только три сигнальных провода (включая провод GND), подсоединенных между устройствами для связи с помощью команд (рис. 1). Например, ведущий блок контроллера (Master) может взаимодействовать с каждым ведомым источником питания (Slave) по шине, чтобы обеспечивать управление и мониторинг системы, построенной из нескольких источников питания. Этот метод значительно уменьшает объем управляющих и сигнальных проводов, что сокращает частоту отказов схем, повышает управляемость системы и упрощает установку. PMBus реализована в различных областях, таких как оборудование для промышленной автоматизации и телекоммуникационное оборудование. Шина PMBus имеет следующие характеристики: • интерфейс протокола — SMBus 1.1; • версия — PMBus 1.1; • скорость шины — 100 кГц. К преимуществам следует отнести открытый протокол PMBus, который упрощает разработчикам процесс проектирования, а к недостаткам — низкую устойчивость PMBus к электрическим помехам и применение для связи на короткие расстояния. Сеть контроллеров (CANBus), в которой используется метод дифференциальной сигнализации (CANH и CANL), изначально разработана для замены сложной проводки в автомобильной промышленности (рис. 2). Обладая высокой устойчивостью к электрическим помехам и возможностью самодиагностики и исправления ошибок данных, CANBus получает все большее распространение в различных отраслях промышленности, включая производство и системы автоматизации. Компания Mean Well предоставляет следующую информацию о CANBus: • уровень канала передачи данных — CAN2.0B; • уровень приложения — определяется Mean Well; • скорость передачи — 250 кбит/с. Преимущество: высокая невосприимчивость CANBus к электрическим помехам. Недостаток: часть протокола CANBus определяется Mean Well; при внедрении в конечную систему может потребоваться модификация.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

Рис. 1. Структура шины управления питанием (PMBus)

Рис. 2. Структура сети контроллеров CANBus

Mean Well программатор для мощных зарядных устройств За последние несколько лет литий-ионные батареи нашли широкое применение в автономных системах электропитания AGV роботов‑транспортеров, но в то же время этот тип батарей редко используется в крупномасштабных приложениях, таких как системы хранения энергии или силовые батареи, поскольку отличается высокой стоимостью, недостаточной стойкостью к ударам и высоким температурам. В данный момент новый тип литий-железо-фосфатных аккумуляторов сочетает преимущества аккумуляторов LiCoO2, LiNiO2 и LiMn2O2 и в основном состоит из фосфора, лития и металлов, которыми богаты многие страны, что обеспечивает устойчивые источники поставок и конкурентоспособные цены. Кроме того, допустимое рабочее напряжение (3,2 В), большая емкость (170 мА·ч/г), высокая способность к зарядке и разрядке и превосходная стабильность при высоких температурах становятся дополнительными преимуществами литий-железо-фосфатных (LiFePO4) аккумуляторов, отвечающих требованиям безопасности и высокой производительности. Также в некоторых отраслях до сих пор применяются традиционные свинцово‑кислотные батареи. Как известно, кривые заряда свинцово‑кислотных, литий-ионных и литий-железо-фосфатных аккумуляторов имеют свои особен-

ности, которые были приняты во внимание компанией Mean Well при создании описываемых в данной статье источников питания для зарядных устройств и электрических зарядных станций аккумуляторных батарей. Для программирования источнико в п и т а н и я с е р и и E N C , H E P ‑ 1 0 0 0 , RCB‑1600/RPB‑1600, DBR‑3200/DBU‑3200 при использовании в обычных зарядных устройствах Mean Well предлагает программатор SBP‑001, который включается между персональным компьютером (ПК) и зарядным устройством (рис. 3). Компания Mean Well регулярно обновляет прошивку программатора SBP‑001, что позволяет пользователям самостоятельно настраивать кривую зарядки в соответствии с потребностями своего устройства в зависимости от химического состава заряжаемой аккумуляторной батареи.

Режимы зарядки на примере источника питания HEP‑1000-48 На компьютер устанавливается программное обеспечение Smart Battery Charging Programmer Software. Рабочие окна программы показаны на рис. 4 и 5. Окно SETTING (рис. 4) позволяет выбрать величину термокомпенсации, характеристику заряда и адрес зарядного устройства при работе с несколькими приборами. В окне CURVE PROFILE (рис. 5) устанавливаются параметры зарядки: постоянный зарядный ток (Constant www.kite.ru

52

блоки питания

Рис. 3. Схема подключения SBP‑001

а

Рис. 4. Окно SETTING программного обеспечения MW Smart Battery Charging Programmer Software

Current), постоянное напряжение заряда (Constant Voltage), напряжение поддерживающего заряда (Floating Voltage) и ток подзарядки, который компенсирует саморазряд (Trickle Current) и тайм-ауты этапов заряда. Кривая зарядки по умолчанию является трехступенчатой (рис. 5а) для типичных герметизированных свинцово‑кислотных аккумуляторов с напряжением ускоренной зарядки 57,6 В и плавающим напряжением зарядки 55,2 В. Напряжение и ток зарядки различных типов свинцово‑кислотных аккумуляторов можно легко отрегулировать в диапазоне 36–60 В DC и 3,5–17,5 А DC. При выборе двухступенчатого режима зарядки (рис. 5б) HEP‑1000 можно использовать для зарядки литий-ионных батарей с тем же диапазоном регулировки 36–60 В DC и 3,5–17,5 А DC соответственно.

б

Рис. 5. Программа интеллектуальной зарядки (HEP‑1000): а) трехступенчатая зарядка; б) двухступенчатая зарядка

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

блоки питания

53

Для зарядки литий-железо-фосфатных (LiFePO4) аккумуляторов емкостью 20 А·ч с максимальным зарядным напряжением 56 В DC в двух режимах — стабилизации тока (CC) и стабилизации напряжения (CV), показанных на рис. 5б, можно установить значения 17,5 А DC и 56 В DC для максимально быстрой зарядки. Пользователь также может снизить зарядный ток, чтобы предотвратить повышение температуры, вызванное сильным током, и снизить напряжение, чтобы избежать возможности перезарядки.

Заключение Компания Mean Well предлагает широкую линейку современных мощных надежных программируемых источников питания с поддержкой протоколов CANBus/PMBus для автоматических электрических зарядных станций и зарядных устройств с возможностью регулирования кривых зарядки, необходимых для свинцово‑кислотных, литий-ионных и литий-железо-фосфатных аккумуляторных батарей, применяемых в различных отраслях промышленности. n

Литература

Реклама

Реклама

1. Li G. Digital communication and applications of programmable power supply. www.meanwell.eu/newsInfo.aspx?c=5&i=3435 2. Ge А. Programmable Battery Charger for Lead-Acid and Lithium Batteries. www.meanwell.com/py/newsInfo.aspx?c=5&i=946 3. Li G. DBR‑3200 & DBU‑3200 Series 3200W digitalized 1U low profile parallelable high efficiency smart charger (with PFC). www.meanwell.com/py/newsInfo.aspx?c=1&i=625 4. Mean Well SBP‑001. Smart Battery Charging Programmer Software User Manual. www.meanwellrussia.com/upload/pdf/SBP‑001/SBP-E.pdf

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

www.kite.ru

дисплеи

54

Дисплейная продукция компании BOE: технологии, области применения и перспективные разработки

Александр Самарин Виктор Егоров

О компании BOE BOE Technology Group [1, 2], известный китайский производитель электроники и различных компонентов, входит в число крупнейших компаний мира. В компании работает свыше 70 000 сотрудников. BOE Technology Group Co., Ltd. предоставляет интеллектуальные дисплеи и комплексные решения в сфере информационных технологий, производит сенсорные экраны, оптоэлектронные сенсоры, солнечные панели, гибкие дисплеи, HUDдисплеи, электронные табло для поездов и автобусов, медицинскую электронику (в том числе датчики для рентгеновских аппаратов), сканеры отпечатков пальцев, электронные ценники, мобильные платформы для розничной торговли, здравоохранения, финансовых услуг, транспорта, энергетики, образования, искусства и «умного дома». В настоящее время компания определила три основных направления для своей деятельности: • дисплеи и сенсорные устройства; • интеллектуальные системы; • оборудование для здравоохранения.

История компании BOE В 1993 году Ван Дуншэн основал Beijing Oriental Electronics Group. В 1994 году был

В настоящее время китайская компания BOE считается крупнейшим в мире производителем дисплейной продукции. Компания выпускает более четверти всех плоскопанельных дисплеев в мире, в том числе дисплеи для телевизоров, компьютерных мониторов, смартфонов, планшетов, ноутбуков. Дисплейная продукция BOE широко используется в электронных табло для поездов и стадионов, в «умных» автомобильных зеркалах заднего вида, банкоматах, интерактивных электронных досках, информационных киосках, дисплеях для медицинского оборудования и транспорта. При изготовлении своей продукции BOE использует самые передовые дисплейные технологии и современное высокопроизводительное технологическое оборудование. Компания серийно выпускает TFT ЖК- и OLED-дисплеи различных форматов и разрешений для широкого спектра приложений. Освоены технологии гибких и изогнутых дисплеев, складных дисплеев, сенсорных дисплеев, микродисплеев для очков виртуальной и дополненной реальности. Компания нацелена на расширение сферы деятельности в секторах самых передовых информационных технологий.

создан ряд совместных предприятий с японскими компаниями Asahi Glass (крупнейший мировой производитель листовой стеклянной продукции, в том числе подложек для дисплеев), Nissin Industry и Nippon Tanshi. В 1997 году появилось совместное предприятие с тайваньской компанией AOC International, в 1999 году организованы дочерние компании BOE Special Display Technology и Beijing Orient Vacuum Electric. В 2001 году Beijing Oriental Electronics Group была переименована в BOE Technology Group, тогда же компания создала лабораторию AMOLED, а в 2002‑м основала дочернюю компанию Suzhou BOE Chatani Electronics (производство компонентов для дисплеев). В 2003 году BOE завершила приобретение бизнеса по выпуску плоских дисплеев у корейской компании Hynix Semiconductor и создала в Южной Корее совместное предприятие с Hydis Technologies. В 2006 году была создана дочерняя компания BOE Mobile Display Technology (производство дисплеев для смартфонов и планшетов). В 2009 году была основана дочерняя компания BOE Energy Technology (производство солнечных панелей). В 2010 году BOE приобрела Taipei Display Research Center и завод AIO Manufacturing у компании Suzhou Gaochuang Electronics, а также открыла в Пекине лабора-

торию передовых технологий в области дисплеев; в 2011 году открыла научно-исследовательский центр в Токио. В 2016 году была приобретена компания производителя автомобильных дисплеев Varitronix. В 2018 году BOE Technology Group купила французскую компанию SES-Imagotag — крупнейшего производителя электронных ценников и других устройств для розничной торговли.

Производственные мощности Производственные предприятия BOE Technology Group расположены в городах Пекин, Гуань, Хэфэй, Чэнду, Чунцин, Фучжоу, Мяньян, Ухань, Куньмин, Сучжоу и Ордос, а также во Франции, Южной Корее и на Тайване. В Ухане компания владеет BOE Wuhan Life Science Park, а в Сучжоу — BOE Smart Manufacturing Service Industry Park. Компания имеет технологические производства как самих матриц для TFT ЖК- и OLEDдисплеев, так и сборочные производства для готовых дисплейных панелей по различным технологиям. На рис. 1 представлены основные вехи развития производственных ресурсов компании: • 1993 — основание BOE Group; • 2003 — приобретение компании HINIX (HYDYS) с LCD TFT-бизнесом;

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

дисплеи

55

Рис. 1. Основные этапы развития компании: B1–B17 — порядковые номера производств дисплейной продукции BOЕ.

G4.5–G10.5 — номер поколения технологического уровня производственных линеек LCD TFT и AMOLED, определяемого размером базовой (материнской) стеклянной (пластиковой) подложки. Например, линейки G4 используют базовые подложки размером 550×650 мм, а на линейках G10 предусмотрены подложки 2850×3050 мм

• 2005 — пуск линейки B1 G5 первой в Китае фабрики ЖК TFTдисплеев в Пекине; • 2009 — пуск линейки B2 G4.5 ЖК TFT в Чэнду; • 2010 — пуск линейки B3 G6 ЖК TFT в Хефей и приобретение LCD TFT-бизнеса JEAN ODM; • 2011 — запуск линейки B4 G8.5 ЖК TFT в Пекине; • 2014 — пуск линейки B5 G8.5 ЖК TFT с G6-линейкой производства сенсорных панелей в Хефей, запуск серийного производства B6 G5.5 LTPS/AMOLED в Ордосе; • 2015 — пуск линейки B8 G8.5 ЖК TFT в Чунцин; • 2016 — приобретение LCD TFT-бизнеса компании Varitronix; • 2017 — первая в Китае линейка B7 G6 серийного производства гибких AMOLED в Ченду, пуск линейки B10 G8 ЖК TFT в Фучжоу, пуск крупнейшей в мире производственной линейки B9 G10.5 ЖК TFT в Хефей; • 2019 — пуск линейки B11 G6 ЖК TFT в Маньяне, пуск линейки B17 G10.5 ЖК TFT в Ухане, пуск линейки производства микродисплеев BMOT micro OLED в Куньмине; • 2020 — пуск производственной линейки B12 G6 AMOLED в Чунцин.

Базовые дисплейные технологии компании ADSDS — патентованная BOE технология TFT ЖК-дисплеев Разработанная компанией BOE уникальная технология ADSDS (Advanced Super Dimension Switch) является одной из ведущих технологий в мире дисплеев, которая позволяет получить высокий коэффициент пропускания света, обеспечивая высокую яркость, контрастность изображения и угол обзора, близкий к 180°, что в совокупности создает яркое и реалистичное изображение. Дисплеи с ADSDS отличаются низким энергопотреблением, что позволяет применять их в очень широком спектре устройств: смартфоны, планшетные ПК, ноутбуки, дисплеи и телевизоры.

AMOLED-дисплеи Как было отмечено выше, компания располагает современным технологическим оборудованием для серийного выпуска AMOLED-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

Рис. 2. Гибкий OLED-дисплей BOE

дисплеев как для смартфонов, так и для широкоформатных телевизоров. Серийное производство LTPS/AMOLED-дисплеев было начато компанией BOE в 2014 году на фабрике B6 G5.5 LTPS/AMOLED в Ордосе, а в 2017‑м стартовал выпуск серийной продукции первой в Китае линейки B7 G6 гибких AMOLED в Ченду. Технология гибкого экрана В мае 2018 года на выставке SID компания BOE представила прототип гибкого OLED-экрана толщиной 0,21 мм, разрешением 30081440 пикселей, размером диагонали 6,2 дюйма и сенсорным слоем. Радиус изгиба экрана составляет 1 мм. В качестве подложки использовалась новая разработка компании Corning — технология стеклянных гибких сверхтонких пленок для дисплейных панелей. Панель выдерживает не менее 100 000 сгибаний/разгибаний. OLEDструктура сформирована методом печати. На рис. 2 показан образец гибкого экрана BOE, представленного на выставочном стенде. Технология скручивающегося (Roll-up) дисплея В мае 2019 года BOE продемонстрировала прототип гибкого скручивающегося экрана (рис. 3). В развернутом виде размер устройства составляет 12,3", а в свернутом его размер аналогичен 7‑дюймовоwww.kite.ru

56

дисплеи

Таблица 1. Технические характеристики типовых ЖК-панелей для видеостен Диагональ, дюймы 22

33

46

49

ЖК-технология

55

ADSDS

Суммарная ширина рамки, мм

11

3,5

Разрешение

3,5

0,88

3,5

700

800/500

1920×1080 500

Яркость, кд/м2 Контраст

700/500

1000:1

1200:1

Углы обзора, Г/В

178°/178°

Время отклика, мс

8

Интерфейсы подключения

VGA in; AV in&out; DVI in; HDMI in; DP in&out; RS232 in&out (RJ45); USB (SVC only)

VGA in; DVI in; HDMI in; DP in

Рис. 3. Гибкий скручивающийся дисплей BOE Таблица 2. Основные характеристики TFT ЖК-панелей для сектора публичных информационных дисплеев

му планшету. Поддержка сенсорного экрана разрабатывается и появится уже в ближайшем будущем.

Диагональ, дюймы 21,5

Основные виды дисплейной продукции BOE Компания BOE выпускает огромные объемы большеформатных TFT ЖК-панелей, предназначенных для применения в различных областях: телевизоры, мониторы, информационные табло, видеостены, информационные киоски, медицинское оборудование, транспорт. Дисплеи для жестких условий эксплуатации Компания BOE выпускает линейки дисплейных панелей, предназначенных для непрерывной работы в жестких условиях эксплуатации. Например, для установки на транспортных средствах (автобусах, поездах, авиалайнерах). Для публичных информационных дисплеев, устанавливаемых на вокзалах, в метро и аэропортах, выпуска-

43

Разрешение Яркость, нит

Автомобильные стекла с регулируемым коэффициентом пропускания В новой разработке BOE Technologies использует затемняемые окна с функцией управляемого коэффициента пропускания. Инновационное решение позволяет регулировать уровень затемнения в салоне автомобиля. Оно предназначено для установки на люки и окна автомобилей и защищает от солнечного ультрафиолета. В качестве управляющего пользовательского интерфейса применена технология прозрачного ЖК-дисплея. Ламинированный в четырехслойное стекло окна дисплей активизирует сам процесс регулировки затенения и задает степень комфортного затемнения в соответствии с яркостью солнечного света. Водитель и пассажиры могут вручную или голосовыми командами корректировать степень затемнения. Предусмотрен и режим автоматической настройки затемнения в соответствии с текущей яркостью солнечного света за окном.

32

49

55

75

250

350

86 3840×2160

400

450

Время отклика, мс

500

450

8

Срок службы, ч Контраст

65

1920×1080

>60 000 2000:1

1200:1

ются особо надежные дисплеи, обеспечивающие круглосуточную работу и высокую яркость изображения. Компания изготавливает ряд дисплейных моделей, ориентированных на применение в медицинских учреждениях в составе медицинского оборудования. К основным характеристикам специальных дисплеев BOE относятся высокая надежность, широкий температурный диапазон, ударопрочность, вибростойкость, защита от электромагнитных помех, пожаробезопасность, водонепроницаемость, дизайн с резервированием блоков. Дисплеи для видеостен Видеостены состоят из нескольких отдельных дисплейных панелей, конструктивно объединенных в один большой экран. Особенностью таких большеформатных панелей для составных экранов является наличие ультратонких рамок. BOE выпускает ряд большеформатных TFT ЖК-панелей с узкими рамками специально для комплектования видеостен. В таблице 1 показаны основные технические характеристики таких панелей.

1300:1

1200:1

Интеллектуальные информационные киоски Компания BOE выпускает не только дисплейные панели для комплектования различного рода публичных информационных устройств, но осуществляет сборку и поставку готовых интеллектуальных дисплейных решений. К ним относится, например, модель интеллектуального информационного киоска с экраном 55". В таблице 3 показаны основные характеристики этого устройства. Информационные киоски широко используются на железнодорожных вокзалах, Таблица 3. Основные технические характеристики информационного киоска BOE

Дисплей

Сенсорный экран

Диагональ Разрешение Яркость Контрастность Время отклика Цветовая гамма Тип Время отклика на касание Количество касаний Распознавание лица Процессор

Информационные киоски и электронные вывески В портфолио BOE имеется широкая номенклатура дисплейных панелей с диагональю 21,5–86" (табл. 2) для применения в публичных информационных дисплеях, таких как электронные вывески и информационные киоски. Панели имеют продолжительный срок службы в условиях круглосуточной работы. Дисплеи обеспечивают широкий угол обзора 178°. В панелях реализована функция интеллектуального затемнения и автоматическая регулировка для адаптации к окружающему освещению. ОС Android и Windows обеспечивают комфортное интеллектуальное управление цифровыми вывесками.

Чипсет

Тактовая частота Чип ОЗУ ПЗУ Операционная система Интерфейсы

Камера

Эксплуатационные параметры

Акустика Разрешение, пиксель Время экспозиции USB Поле зрения Диапазон температур, рабочий режим Уровень влажности, рабочий режим Потребляемая мощность Электропитание Вес Габариты

55" 1080×1920, вертикально 350 кд/м2 1400:1 6 мс 72% NTSC (CIE1931) Емкостный ≤8 мс 10 MIPS 2-ядерный A72 + 4-ядерный A53 2 ГГц RK3399 4 Гбайт DDR3 16 Гбайт eMMC Android 7.1 USB 2.0×1; USB 3.0×1; Wi-Fi 802.11b/g/n; RJ45×2; 4G; Bluetooth 2×5 Вт 2M ≤10 мс Support 150° 0…+50 °С 10–85% RH <120 Вт ~100– 240 В 89,14 кг 870×2106×500,5 мм

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

дисплеи

57

Рис. 4. Пример использования публичных информационных дисплейных устройств

автобусных терминалах, аэропортах, вагонах метро, для помощи в навигации по местности и оказания прочих информационных услуг. На рис. 4 показаны примеры типовых применений интеллектуальных киосков BOE. Информационные табло для общественного транспорта На рис. 5 представлен пример использования интерактивного информационного табло BOE в вагоне метро. В московском метро можно увидеть дисплеи, изготовленные

на заводах BOE, — они установлены в вагонах поездов (рис. 6). Интеллектуальные широкоформатные дисплеи сверхвысокого 4К разрешения с диагональю 98" и 110" для конференц-залов и презентаций Интеллектуальные дисплеи BOE сверхвысокого разрешения доступны в двух размерах: 98" и 110" (табл. 4). Поставляются с разрешением 4K и 8K, что делает их самыми большими дисплеями с самым высоким разрешением, доступными на современном рынке. Таблица 4. Основные технические характеристики дисплеев для конференц-залов

Дисплеи BOE предназначены для использования в больших конференц-залах и зонах приема гостей, обеспечивая комфортный информационный фон. Размер и качество изображения создают комфорт и четкость просмотра. Интерактивные классные доски для школ Для классных интерактивных досок компания BOE выпускает линейку надежных дисплейных панелей с повышенным ресурсом и высоким контрастом (табл. 5). Таблица 5. Основные характеристики TFT ЖК-панелей BOE для интерактивных классных досок

Диагональ экрана, дюймов 98 Технология ЖК

3840×2160

Формат экрана

Время отклика Интерфейсы Процессор ОЗУ

1000:1 178°/178° 6 мс

HDMI in; USB; LAN; Wi-Fi 4-ядерный Cortex-A17 до 1,8 ГГц

75

86

3840×2160

Время отклика, мс

8

Палитра цветов Яркость, нит

70 16:9

Разрешение

500 кд/м2 1300:1

65

Формат

16:9

Яркость Углы обзора, Г/В

55

ADSDS

Разрешение

Контраст

Диагональ, дюймы

110

1,07B (10 бит) 350

330

Контраст

1200:1

Ресурс, ч

30 000

2 Гбайт

ПЗУ

8 Гбайт

ОС

Android 5.1

Рис. 5. Информационное интерактивное табло в вагоне метро

Сенсорная панель для электронных классных досок Для интерактивных классных досок компания BOE разработала сенсорные экраны. В таблице 6 приведены основные характеристики такого сенсорного экрана. На рис. 7 показан общий вид конструкции классной интерактивной доски BOE. Таблица 6. Основные характеристики сенсорного экрана для интерактивной классной дисплейной доски Тип сенсорной чувствительности Операционная система Чувствительность

Прикосновение пальцами, пальцами в перчатке

Время отклика, мс

15–25, <20

Точность позиционирования

Рис. 6. Информационные ЖК-дисплеи BOE в вагонах московского метро

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

Интерфейс

Рис. 7. Интерактивная классная доска компании BOE

Инфракрасные датчики Windows 10/8/7/xp/vista, Linux/ Mac/Android/Wince/Chrome

Разрешение, точек

±2 мм Full-speed USB (driver free) USB2.0 type B 32 767×32 767

www.kite.ru

58

дисплеи

Таблица 8. Сравнительные характеристики обычных светодиодов и светодиодов mini-LED Обычный светодиод задней подсветки ТВ Размеры Качество HDR-изображения Стоимость Эффективность использования энергии

Рис. 10. Полосковые дисплеи для торговых вывесок Рис. 8. Прозрачные дисплеи BOE для торговых автоматов

Прозрачные дисплеи Прозрачные TFT ЖК-панели применяются в основном в рекламных выставочных боксах, торговых автоматах. На рис. 8 показан вариант использования прозрачной дисплейной панели BOE в торговом автомате. Интеллектуальные дисплейные зеркала Технология TFT ЖК-панелей позволяет реализовать зеркальную поверхность с зонами для индикации полезной пользовательской информации. Такие устройства уже активно используются в примерочных магазинов, в ванных комнатах отелей и холлах. Компания BOE выпускает такие модели интеллектуальных дисплейных зеркал. На рис. 9 показан вариант реализации интеллектуального зеркала для ванной комнаты.

Рис. 9. Реализация интеллектуального зеркала на основе ЖК-панели BOE

Полосковые TFT ЖК-панели Компания выпускает ряд моделей полосковых (bar) дисплейных панелей, которые применяются в качестве информационных табло в автобусах, магазинах и других общественных местах (табл. 7). На рис. 10 показан пример использования полоскового инфор-

Таблица 7. Основные типы полосковых ЖК дисплейных панелей для торговых вывесок Диагональ, дюймы

28

37

Разрешение

1920×360

1920×290

Яркость, нит

400

350

Время отклика, мс

6,5

6,5

мационного табло в торговом зале магазина розничной торговли.

Технология mini-LED для динамической подсветки телевизионных ЖК-панелей Технология mini-LED активной подсветки — это эволюция технологии HDR (High Dynamic Range), которая в настоящее время используется многими производителями телевизионных TFT ЖК-панелей. Компания BOE также активно внедряет эту технологию в производство своих телевизионных дисплейных панелей. Принцип динамической светодиодной задней подсветки, или Local Dimming, основан на двойной модуляции исходного светового потока. Массив светодиодной матрицы формирует низкочастотный яркостной профиль изображения, а TFT ЖК-матрица «шлифует» такой двумерный профиль яркости. При этом контраст интегральной дисплейной системы будет определяться контрастом обоих модуляторов. Специальная схема обеспечивает раздельное управление яркостью каждого элемента светодиодного массива и самой ЖКматрицей. Соответствующая предобработка видеосигналов производится DSP. Динамическая светодиодная подсветка широко распространена во многих моделях разных производителей. Технология визуализации mini-LCD позволила значительно улучшить качество ранее используемой технологии Local Dimming за счет увеличения числа светодиодов в матрице наряду с уменьшением их размеров. При динамической подсветке достигается и более темный цвет черных полей изображения.

3×3 мм

2,5×3,25 мм

mini-LEDсветодиоды задней подсветки 0,125×0,225 мм

невысокое

великолепное

низкая

высокая

низкая

высокая

В таблице 8 приведены сравнительные характеристики обычных светодиодов, которые ранее применялись в телевизорах с динамической светодиодной подсветкой, и светодиодов по технологии mini-LED. В последних разработках mini-LED используется технология нитрид галлия (GaN). Яркость таких светодиодов не деградирует со временем, как у OLED, что обеспечивает высокую стабильность передачи цветов.

Перспективная дисплейная технология micro-LED Технология micro-LED позволяет изготовлять дисплейные панели, в которых каждый пиксель представляет собой триаду из отдельных RGB-микросветодиодов. Это новый уровень полупроводникового производства, когда светодиоды имеют размеры, соизмеримые с размерами пикселей в АМOLED- и TFT ЖК-дисплеях. В отличие от органических светодиодов твердотельные светодиоды не подвержены деградации burnin и обеcпечивают стабильность цветовой палитры в течение всего срока эксплуатации дисплея. Для развития данного сектора дисплейного бизнеса компания BOE создала в 2019 году совместное предприятие BOE Pixey с фирмой Rohinni — разработчиком технологии micro-LED. Новое предприятие обещает стать лидером в индустрии полупроводниковых дисплеев micro-LED. Это же подразделение будет обеспечивать разработку и серийный выпуск модулей для многозональной светодиодной подсветки на основе mini-LED. Первые совместные продукты BOE Pixey были продемонстрированы на выставке CES‑2020. На рынок новые дисплеи и телевизоры, выполненные по технологиям mini- и micro-LED, вышли во второй половине 2020 года. Это широкоформатные сверхтонкие и сверхъяркие жидкокристаллические телевизионные панели с подсветкой mini-LED, панели с прямым светодиодным излучением micro-LED и светодиодные видеостены. На выставке SID Display Week 2019 компания представила микродисплей по технологии micro-LED c диагональю экрана 0,39", предназначенного для очков AR, со сверхвысокой плотностью пикселей 5644 ppi. Первыми официальными клиентами поставщика стали Apple и Huawei. В настоящее время осва-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

дисплеи

59

ивается массовый выпуск панелей micro-LED на фабрике в Куньмине (Китай). В планах BOE стать крупнейшим поставщиком микродисплеев micro-LED для Apple. Первыми секторами для массового применения микродисплеев будут сектора смарт-часов и очки с дополненной и виртуальной реальностью.

Технологии micro-OLED Это еще одна перспективная дисплейная технология, которую продвигает BOE. Дисплейные устройства по технологии micro-OLED компания проектирует с 2018 года. Разработка и производство сосредоточено в подразделении Kunming BOE Display Technology, совместном предприятии в провинции Юньнань. Технология micro-OLED использует backplane со схемой управления на кремниевой подложке, что позволяет достичь очень высокого разрешения изображения и высокой интеграции при реализации микродисплеев. Размер пикселя OLED-панели в смартфонах и телевизорах составляет около 40–300 мкм. Размер пикселя панели micro-OLED около 4–20 мкм. В марте 2017 года производитель OLED-дисплеев BOE Technology и производитель OLED-микродисплеев китайская компания OLiGHTEK объявили о создании нового совместного предприятия по производству OLED-микродисплеев для потребительских рынков VR и AR. В сентябре 2019 года компания BOE начала поставки 0,39‑дюймовой панели Full-HD (19201080, 5644 ppi), сейчас компания поставляет более крупную, 0,71‑дюймовую панель Full-HD. OLiGHTEK (также известная как Yunnan North OLiGHTEK Opto-Electronic Technology Co) — китайская компания, которая разрабатывает и производит микродисплеи OLED, предназначенные для использования в видоискателях различных оптоэлектронных устройств, в HUD-дисплеях, в наручных смарт-часах, а также для AR- и VR-очков. На рис. 11 показаны смарт-часы с microOLED-циферблатом BOE.

Рис. 11. Смарт-часы с micro-OLED-циферблатом BOE

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

Рис. 12. Применение очков дополненной реальности при обслуживании технологического оборудования

Микродисплеи для очков AR и VR Технологии дополненной реальности (AR) и виртуальной реальности (VR) являются в настоящее время одними из самых востребованных в секторе информационных технологий. Очки AR и VR используются в различных сферах человеческой деятельности, начиная с сектора развлечений и досуга и заканчивая секторами медицинских интеллектуальных аппаратов, индустрии вооружения, технологии «умного» производства и строительства. Компания BOE является одним из лидеров производства как самих микродисплев по различным дисплейным технологиям для очков AR/VR, так и производителем оптики и готовых изделий на их основе. Заказчиками этого сектора продукции BOE выступают ведущие электронные компании мира. Шлемы с очками AR используют службы спасения и пожарные. Дополнительная информация, отображаемая на экранах очков, позволяет оперативно ориентироваться на сложных строительных объектах в условиях пожара и сильного задымления. На рис. 12 показан пример использования очков дополненной реальности оператором, обслуживающим сложное технологическое оборудование. Одним из крупнейших заказчиков на внутреннем рынке Китая является МВД, которое разрабатывает и внедряет интеллектуальную систему тотального полицейского контроля за населением с целью выявления и трассировки потенциальных преступных элементов. AR-очками обеспечиваются полицейские патрули. В очки встроена камера, с помощью которой полицейский сканирует лица людей из толпы. На экран очков выводится информация об обнаружении подозрительных личностей, а также информация о преступниках, опознанных системой автоматического распознавания лиц.

Компания BOE выпускает серию микродисплейных модулей с диагональю экрана 0,39–0,71" и разрешением от 800600 до 19201080 пикселей. Яркость изображения на экранах микродисплеев BOE от 300 до 2000 нит. Плотность пикселей до 5644 ppi (микродисплей 0,39"). Очки виртуальной реальности BOE в медицинском интеллектуальном роботизированном хирургическом помощнике Один из ярких примеров эффективного применения технологии виртуальной реальности — конструкция роботизированного рабочего места RoboticScope для хирургов, разработанная австрийской компанией BHS Technologies из Инсбрука.

RoboticScope — это полностью цифровой 3D-микроскоп с функцией оперативного управления изображением операционной зоны для комфортного обзора хирургами. Он основан на цифровой технологии, управляемой исключительно программным обеспечением, и состоит из трех согласованных основных компонентов: двух головных дисплеев (HMD на базе микродисплеев BOE), электромеханического манипулятора и микровидеокамеры. Хирурги могут без участия рук, а только наклонами головы управлять углом положения внешней подсветки и камеры, увеличением и контрастом изображения операционной зоны. Хирурги видят только изображение, которое передается видеокамерой (рис. 13). Все важные функции и движения RoboticScope можно активировать без помощи рук. Руки микрохирурга могут оставаться на операционном поле, и инструменты не нужно откладывать в сторону. В марте 2020 года RoboticScope прошел сертификацию CE как www.kite.ru

60

дисплеи

Рис. 13. Роботизированная хирургическая система на базе VR-очков BOE

медицинское изделие класса I. RoboticScope одобрен для использования в хирургических операциях в Европейском союзе.

Интегральные информационные решения компании BOE Компания BOE известна не только как мировой производитель высококлассной дисплейной продукции, но и как интегратор и поставщик интегральных высокоинтеллектуальных информационных систем на базе своей дисплейной продукции и собственных разработанных программных информационных платформ. К таким системам относятся, например, интегральные решения «Умный музей» (рис. 14) или «Умная поликлиника». Интеллектуальное музейное решение улучшает интерактивный опыт коллекций и выставок с помощью различных мультимедийных интерактивных форм. Это более привлекательное решение с цифровым дисплеем, с более разнообразными установками и большей популярностью в науке. В данной системе предполагается широкое внедрение информационных технологий на базе очков дополненной и виртуальной реальности. Технология BOE iGallery BOE iGallery — первый в мире интеллектуальный цифровой художественный музей, который позволяет демонстрировать сотни

Рис. 15. BOE iGallery — интеллектуальный цифровой художественный музей

тысяч произведений искусства, семейные фотографии или детские рисунки на экранах с высоким разрешением (рис. 15). Для реализации информационной интегрированной системы iGallery используются TFT ЖК-панели с диагональю 21,5"; 32" и 49", которые можно оформить в виде картин (для этого предлагается широкий выбор рамок), а также облачное хранилище картин и приложение для смартфона, с помощью которого можно выводить на дисплей нужные изображения. «Умная поликлиника» Интеллектуальная амбулаторная система в первую очередь ориентирована на информационную поддержку пациентов поликлиник, что может обеспечить пациентам комфортное ожидание и максимально сократить само время ожидания. Интегральное решение «Умная поликлиника» решает комплексные задачи для информационного обеспечения современных лечебных учреждений. К ним относятся сетевая система информационных дисплеев для информирования пациентов (расписание, запись к врачам, получение справок и документов, текстовая и видеоконсультация). Для врачей и управленческого персонала поликлиник предусмотрена каталогизация, архивирование, оперативность и доступность данных. Компания BOE намерена также активно внедрять тех-

нологии виртуальной и дополненной реальности на базе своей продукции.

Перспективные дисплейные разработки компании BOE Дисплей для слепых и слабовидящих Компания BOE запатентовала новый тип дисплея, который позволит незрячим людям чувствовать изображения. Дисплей BOE состоит из двух элементов — сенсорного экрана и небольшого носимого электронного устройства, которое можно надеть на палец. Когда пользователь проводит носимым устройством над дисплеем, оно считывает данные с экрана и передает на палец пользователя тактильные сигналы, которые позволят ему считывать и «чувствовать» визуальный контент. Группа компаний «Симметрон» [5] является официальным дистрибьютором компании BOE в России и странах СНГ. n

Литература 1. www.boe.com 2. www.boe-tech.ru/about 3. Самарин А. Современные технологии крупноформатных TFT ЖК-панелей // Компоненты и технологии. 2010. № 6.

4. High End Display. Каталог BOE. 5. www.symmetron.ru

Рис. 14. Интегральное решение «Умный музей» от BOE

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

Реклама

62

проектирование

схемотехника

Квантование коэффициентов малоразрядного БИХ-фильтра методом динамического программирования

Владимир Бугров bug@rf.unn.ru

Введение Совокупное качество цифрового фильтра в первую очередь определяется такими функциональными его показателями, как селективная способность и вычислительные затраты (быстродействие). Под селективной способностью обычно понимают возможность удовлетворения совокупности требуемых характеристик фильтра в частотной области, а быстродействие определяется реальным временем расчета его отклика при реализации фильтра на выбранной цифровой платформе. При проектировании высокоскоростных малоразрядных БИХфильтров одной из основных задач является уменьшение ошибки реализации требуемых функциональных характеристик при уменьшении разрядности представления данных в алгоритме цифровой фильтрации. При этом основными задачами этапа практической реализации фильтра как дискретной системы реального времени становятся выбор арифметики цифровых вычислений и приемлемой длины слова коэффициентов фильтра для их реализации заданным

К основным эффектам конечной разрядности представления данных в системах цифровой фильтрации относятся погрешности характеристик, обусловленные квантованием коэффициентов цифрового фильтра. В статье рассматривается возможность уменьшения этой погрешности за счет квантования коэффициентов цифрового БИХ-фильтра в концепции динамического математического программирования — как пошагового процесса квантования коэффициентов с их дискретной оптимизацией на каждом шаге по общей для всего процесса квантования целевой функции. В сравнении с классическим квантованием динамический процесс квантования позволяет существенно уменьшить функциональную ошибку реализации требуемых характеристик малоразрядного БИХ-фильтра. Приводится алгоритм пошагового динамического квантования методами целочисленного нелинейного программирования с учетом заданного масштабирования каскадного фильтра и требуемого радиуса полюсов его передаточной функции. Иллюстрируется эффективность применения данного подхода на примере динамического квантования коэффициентов полосно-пропускающего БИХ-фильтра высокого порядка с минимальной разрядностью представления целочисленных коэффициентов. Проведен сравнительный анализ функциональных ошибок квантования, а также проверка работоспособности квантованного фильтра на тестовом и реальном сигналах.

числом двоичных разрядов. Наиболее часто для представления переменных в алгоритмах цифровой фильтрации используются вычисления в формате с фиксированной точкой (ФТ), когда все переменные цифрового алгоритма являются дробными вещественными числами, принадлежащими диапазону от –1 до 1–2 –R, где R — число значащих битов (то есть без бита знака), используемых для двоичного представления числа [1–3]. Таким образом, заданным числом двоичных разрядов можно реализовать только дискретный ряд определенных значений коэффициентов фильтра в интервале |x| < 1, где X(x1,x2,…,xi,…,xn) — совокупный вектор коэффициентов цифрового фильтра. Однако аналитический расчет коэффициентов, например преобразованием аналогового прототипа БИХ-фильтра, методом окна или частотной выборки для КИХ-фильтра, осуществляется в непрерывном n‑мерном вещественном пространстве E n с неограниченной точностью, поэтому на стадии реализации фильтра необходима процедура квантования его коэффициентов, которая в формате ФТ осуществляется следующим образом: для

заданной длины битового представления R целочисленный код (квант) вещественного неквантованного коэффициента xi ∈ E n в варианте округления до ближайшего целого (round) равен целой части выражения в скобках:

xiint = int(xi2R+0,5),

(1)

а в варианте усечения (fixed) он равен:

xiint = int(xi2R). Тогда вещественный квант данного коэффициента определяется так:

xifloat = xiint/2R,

(2)

а ошибка квантования коэффициента составляет:

ei = xi –xifloat.

(3)

В рамках статистической модели [2, 3] ошибки квантования коэффициентов считаются равномерно распределенными слу-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

схемотехника

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

63

недопустимую функциональную ошибку выполнения требований. Однако существенное уменьшение функциональной ошибки (4) можно обеспечить применением «динамического» механизма квантования коэффициентов на основе динамического программирования [4, 5] как раздела оптимального программирования, в котором процесс решения общей задачи может быть разбит на отдельные этапы (шаги), причем результаты решения на одном этапе процесса квантования существенно влияют на последующие шаги. Принцип оптимальности Р. Беллмана, являющийся основным содержанием динамического программирования, гарантирует, что решение на любом шаге не локально лучше, а лучше с точки зрения процесса квантования коэффициентов в целом.

Рис. 1. Структура звена рекурсивного ЦЦФ

чайными величинами с нулевым средним значением. Такая статистическая модель позволяет рассчитать дисперсию шума квантования коэффициентов и их статистическую разрядность, необходимую для выполнения определенных функциональных требований. В классическом аналитическом проектировании ошибки квантования коэффициентов цифрового фильтра считаются «неустранимыми», приводят к искажению частотных характеристик и необходимости масштабирования его коэффициентов, а также к возможности появления малых предельных циклов в рекурсивных структурах. Однако ошибку квантования коэффициентов можно устранить полностью, осуществив дискретизацию параметрического пространства коэффициентов фильтра перед его синтезом только теми значениями, при которых ошибки квантования (3) равны нулю. При этом математическое задание квантованного параметрического пространства возможно как вещественным (2), так и целочисленным (1) кодом. Фильтры, использующие вещественную арифметику вычислений и дискретизацию коэффициентов, принято называть квантованными вещественными цифровыми фильтрами (ВЦФ), а фильтры, использующие целочисленную арифметику вычислений и дискретизацию параметров, — целочисленными цифровыми фильтрами (ЦЦФ). Вариант целочисленного представления представляется более универсальным и практически значимым, так как ЦЦФ имеют минимальную вычислительную сложность и могут быть реализованы на любой цифровой платформе (MCU, DSP, FPGA) без наличия FPU-сопроцессора (Floating Point Unit) в структуре вычислителя. Разрядность такого представления определяется интервалом изменения целочисленных коэффициентов фильтра, что практически удобно при реализации алгоритма динамического квантования коэффициентов. При необходимости целочисленное решение легко пре-

проектирование

образовать в вещественное квантованное решение формата ФТ, применяя для этого их однозначную связь через соотношение (2). Формирование целочисленного кода часто называют нормализацией коэффициентов фильтра, когда в дискретном n‑мерном пространстве IRn формируется вектор целочисленных коэффициентов IX(ix1,ix2,…,ixi,…,ixn), квантованных с заданной разрядностью R их представления. Ошибки квантования коэффициентов (3) вызывают, как уже сказано выше, соответствующую функциональную ошибку DH(wR), ошибку реализации требуемой характеристики цифрового фильтра. Для дискретного табулированного представления характеристики наиболее часто функциональная ошибка выполнения требований формируется по критерию среднеквадратичного отклонения (СКО): (4) где YkR(IX) — текущее значение характеристики фильтра на k‑й дискретной частоте диапазона определения для заданной разрядности R представления коэффициентов, а YkT — требуемое значение частотной характеристики фильтра. Функциональная ошибка (4) будет, естественно, возрастать с понижением разрядности представления коэффициентов и ограничивать тем самым минимальную разрядность коэффициентов допустимым уровнем ошибки реализации требуемой характеристики. В классическом квантовании ошибки (3) и (4) определяют порог разрядного представления коэффициентов при реализации цифрового фильтра на конкретной цифровой платформе. Приведенный алгоритм описывает классический, «статический» механизм квантования коэффициентов фильтра, когда дальнейшее уменьшение разрядности вызывает уже

Алгоритм динамического квантования Рассмотрим алгоритм динамического квантования на примере квантования коэффициентов нормализованного БИХфильтра, состоящего из каскадного соединения m‑звеньев второго порядка (m = N/2, где N — порядок фильтра), с передаточной функцией [6, 7]: (5) где комплексная переменная z при переходе к описанию частотной характеристики K(e jwT) = |K(e jwT)|e jj(wT) принимает значение z = e jωT, где Т — период дискретизации. Все коэффициенты передаточной функции (5) квантуются целочисленным кодом (1), а интервал их изменения определяется заданной разрядностью представления R. Разностное уравнение для одного звена такого целочисленного цифрового фильтра имеет следующий вид: (6) где xn, yn — входная и выходная целочисленные временные последовательности; a0 — нормирующий power-of-two-коэффициент:

a0i ∈ {2q}, q = 0,R, i = 1,m.

(7)

На рис. 1 приведена типичная структура звеньев целочисленного БИХ-фильтра, соответствующая разностному уравнению (6). Как видно на рис. 1, при вычислении отклика фильтра, кроме традиционных операций сложения, умножения и задержки на такт, присутствует операция сдвига на B = log2a0 бит, с помощью которой реализуется целочисленное деление на нормирующий power-of-two-коэффициент. www.kite.ru

64

проектирование

Рис. 2. Структура динамического квантования

На рис. 2 представлена общая блок-схема алгоритма динамического пошагового квантования коэффициентов ЦЦФ как последовательности поисковых задач с поэтапным понижением разрядности R представления коэффициентов фильтра вплоть до требуемого малоразрядного их представления Rmin. На первом, стартовом этапе неквантованные вещественные коэффициенты X ∈ E n сначала квантуются целочисленным кодом (1) со стартовой высокой разрядностью R max = 14 бит (блоки 1–3), формируя тем самым дискретное целочисленное решение на квантованном множестве коэффициентов IX ∈ IRnmax с соответствующей функциональной ошибкой квантования (4). Затем на этом дискретном множестве ставится задача оптимизации дискретных коэффициентов данной разрядности (блок 4) по общей для всех этапов динамического квантования целевой функции (4) как задачи целочисленного нелинейного программирования (блок 4), которая для каскадного БИХ-фильтра с передаточной функцией (5) записывается так [6]:

F °(IX° R) = minF(IXR), IXR ∈ IR5m,

(8)

–2R < adi < 2R, d = 1,2, i = 1,m –2R < bdi < 2R, d = 0,2, i = 1,m,

(9)

a0i ∈ {2q}, q = 0,R, i = 1,m,

(10)

|Zpi| < rmax, i = 1,m,

(11)

Kimin ≤ |Ki(e jwT)| ≤ Kimax, i = 1,m,

(12)

где F(IXR) — целевая функция; d — индекс коэффициента передаточной функции (5); rmax — допустимый максимальный радиус полюсов; Kimin, Kimax — допустимые границы изменения коэффициента усиления i‑го звена.

схемотехника

Экстремальная задача пошаговой дискретной оптимизации (8) записана относительно целочисленного пространства коэффициентов размерностью 5m. Ограничения (9) задают границы изменения этих коэффициентов, а соотношение (10) определяет power-of-twoзначение нормирующих коэффициентов звеньев. Функциональные ограничения (11) контролируют в процессе дискретной пошаговой оптимизации условие устойчивости рекурсивного фильтра по всем полюсам коэффициента передачи с радиусами не выше rmax, а ограничения (12) масштабируют коэффициенты передачи звеньев в заданный интервал. Выполнение данных функциональных ограничений в поисковом алгоритме реализуется применением штрафных функций [8, 9]. Численное решение экстремальной задачи (8) в дискретном квантованном пространстве коэффициентов формата ФТ возможно только применением сеточных алгоритмов поисковой минимизации, когда дискретность сетки поиска задается числом двоичных разрядов R, которыми в кодовом пространстве отображается каждая i‑я переменная. Этим требованиям вполне отвечает поисковый алгоритм глобальной минимизации полимодальных целевых функций на детерминированной сетке [9]. Построение минимизирующей последовательности на дискретной сетке формата ФТ в данном алгоритме осуществляется при помощи так называемых сфер поиска с изменяющимися радиусами. Таким образом, при последовательном автоматическом расширении и сужении сфер поиска происходит направленное сканирование всей дискретной области поиска без полного ее перебора. Характерными особенностями поискового алгоритма является высокая надежность отделения глобального экстремума, малые потери на поиск, эффективная работа в пространстве высокой размерности, а также отсутствие априори настраиваемых параметров. При этом необходимо заметить, что квантование коэффициентов на текущем шаге (блок 3) обычно не приводит к потере глобального экстремума общей целевой функции и в зоне притяжения глобального экстремума осуществляется лишь оптимизация, подстройка дискретных параметров с новой разрядностью их представления. Далее в блоке 5 производится проверка соответствия текущей разрядности квантования R с требуемой минимальной разрядностью R T и в случае несоответствия осуществляется понижение разрядности представления коэффициентов (блок 6) с последующим их квантованием и оптимизацией на новом дискретном множестве (блоки 3 и 4) также по общей для всех этапов динамического квантования целевой функции ошибки (4). Пересчет целочисленных коэффициентов разрядности L в разрядность представления M при этом осуществляется по следующей простой формуле:

xMint = xLint2M–L.

Так при понижении разрядности на 1 бит мы имеем xRint–1 = xRint/2. Точно так же пересчитываются и границы нового дискретного множества целочисленных коэффициентов. Таким образом, решение на текущем этапе динамического квантования является стартовой точкой этапа последующего. Цикл повторяется до достижения требуемой минимальной разрядности представления коэффициентов, после чего осуществляется выявление оптимального малоразрядного решения, обеспечивающего допустимый уровень ухудшения функциональных характеристик фильтра, и проводится анализ этого решения во временной и частотной областях. Процесс завершается формированием итогового протокола динамического квантования коэффициентов цифрового фильтра (блоки 7 и 8 общей диаграммы). Динамическое квантование по рассмотренному выше алгоритму может быть реализовано в автоматическом режиме, хотя наиболее целесообразно выполнять динамическое квантование в интерактивном варианте, когда квалифицированный проектировщик для успешного решения задачи может применять специфические навыки и приемы поискового интерактивного проектирования. Таким образом, процесс динамического квантования состоит из этапов последовательного понижения разрядности коэффициентов с формированием дискретного множества коэффициентов текущей разрядности IRn с последующим решением задачи дискретной оптимизации коэффициентов на этом множестве по критерию общей функциональной ошибки реализации требований. Характерно, что дискретные множества, формируемые на этапах динамического квантования, являются вложенными подмножествами исходного дискретного множества с максимальной разрядностью представления коэффициентов:

IRnmin ⊂ IRnmin+1 ⊂ IRnmin+2 ⊂ … ⊂ IRnmax. Это означает, что любое малоразрядное решение всегда может быть реализовано и на цифровой платформе большей разрядности с той же функциональной ошибкой выполнения требований. Обратное же утверждение, естественно, несправедливо.

Динамическое квантование коэффициентов каскадного БИХ-фильтра Рассмотрим пример квантования методом динамического программирования коэффициентов синтезированного полосно-пропускающего БИХ-фильтра при целочисленном описании его квантованного варианта. В итоге необходимо определить минимальную разрядность квантования коэффициентов, при которой выполняются

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

схемотехника

проектирование

65

Таблица 1. Оптимальные коэффициенты неквантованного ППФ Коэффициенты передаточной функции

Звено фильтра 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

a1

a2

b0

b1

b2

0,414917 –0,227051 0,994995 –0,672852 –0,659668 0,999878 0,998901 –0,144653 –0,015869 –0,130493

0,658203 0,469971 0,667725 0,654785 0,872803 0,675537 0,673584 0,528687 0,409546 0,146484

–0,307983 –0,072266 –0,195679 0,170898 0,979980 0,267944 0,729492 0,160278 0,085083 0,320435

–0,03186 –0,81543 0,709595 –0,992065 –0,740967 0,144287 0,438477 0,008057 0,742798 –0,7229

0,408936 –0,23584 0,403198 0,805298 0,605591 0,552612 0,266235 –0,501831 0,532715 0,25

а

Усиление звена Kmax 2,1 1,7 2,8 2,6 3,3 1,7 1,6 1,4 1,5 1

Таблица 2. Ошибки классического и динамического квантования Разрядность квантования, бит

СКО ΔНклас ΔНдин

НК

14

12

10

8

7

6

5

4

3

0,102 0,102

0,102 0,096

0,103 0,103

0,112 0,094

0,202 0,091

0,507 0,097

0,304 0,094

3,28 0,153

3,82 0,4

10,4 1,32

следующие спецификационные требования к функциональным показателям фильтра: • полоса пропускания: 400–700 Гц; • коэффициент передачи в полосе пропускания: 0 дБ с допуском ±1 дБ; • уровень внеполосного подавления на частотах ниже 200 и выше 900 Гц: 40 дБ; • нелинейность фазы в полосе: 10°; • порядок рекурсивного фильтра: 20; • максимально допустимый радиус полюсов: 0,9; • масштабирование коэффициентов передачи звеньев в интервал {1–4}; • частота дискретизации: 2 кГц. График требуемой АЧХ полосно-пропускающего фильтра (ППФ) приведен на рис. 6а (выделен красным цветом), а исходные неквантованные вещественные его коэффициенты указаны в таблице 1. Приведенные выше требования спецификаций в исходном неквантованном ППФ выполнялись с большим запасом. Выполним сначала классическое квантование коэффициентов данного фильтра в варианте округления по соотношению (1) последовательно до минимальной разрядности их представления 3 бит, фиксируя функциональную ошибку (4) реализации требуемой АЧХ (табл. 2). Из таблицы видно, что разброс квантования по функциональной ошибке превосходит два порядка (рис. 3а), поэтому график соответствующей зависимости для наглядности представлен и в логарифмическом масштабе (рис. 3б). Необходимо заметить, что в таблице и графиках разрядность квантования целочисленных коэффициентов указана уже с учетом знакового бита.

б

Рис. 3. Ошибки классического и динамического квантования: а) в линейном масштабе; б) в логарифмическом масштабе

Можно также отметить, что случаев потери устойчивости БИХфильтра при квантовании с округлением не наблюдалось, так как исходный неквантованный ППФ был синтезирован с хорошим запасом по устойчивости (максимальные радиусы полюсов передаточной функции не превышали 0,9), хотя в противном случае выход полюсов квантованного фильтра за единичную окружность на малой разрядности представления коэффициентов при классическом квантовании наблюдается довольно часто. На рис. 4 отражена модификация АЧХ квантуемого цифрового фильтра при понижении разрядности его коэффициентов.

а

б

Рис. 4. Модификация АЧХ фильтра при классическом квантовании коэффициентов: а) в линейной шкале; б) в логарифмической шкале

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

www.kite.ru

проектирование

66

схемотехника

а

б

Рис. 5. Модификация АЧХ фильтра при динамическом квантовании коэффициентов: а) в линейной шкале; б) в логарифмической шкале

а

б

Рис. 6. Характеристики 4‑битового ППФ: а) АЧХ; б) ФЧХ в полосе пропускания

Осуществим теперь динамическое квантование коэффициентов исходного фильтра (табл. 1) по приведенному выше алгоритму и целевой функции (4) также последовательно от максимальной до минимальной 3‑битовой разрядности их представления, фиксируя функциональную ошибку ΔНдин реализации требуемой АЧХ в таблице 2. Графики динамической ошибки также представлены на рис. 3, а соответствующая модификация АЧХ фильтра при квантовании отображена на рис. 5. Из таблицы 2 и приведенных графиков видно, что функциональная ошибка классического квантования резко возрастает начиная с уровня 10–11‑битового представления коэффициентов полосового БИХ-фильтра, в то время как ошибка динамического квантования имеет тенденцию к росту только начиная с уровня 4–5‑битового представления коэффициентов. Также можно отметить, что допустимому уровню 0,4 (отображен на рис. 3б пунктиром) выполнения спецификационных требований по функциональной ошибке соответствует только 8‑битовое решение при классическом квантовании, в то время как при динамическом квантовании для представления коэффициентов вполне достаточно 4 бит. В таблице 3 приведены эти оптимальные значения целочисленных 4‑битовых коэффициентов передаточной функции ППФ, а также достигнутый уровень его каскадного масштабирования. Графики частотных характеристик фильтра представлены на рис. 6. Как видно на рис. 6, в полосе пропускания неравномерность АЧХ отквантованного ППФ составляла ∆К = 0,98 дБ, а фазовая нелинейность не превышала ∆j = 5,5°, что полностью соответствует требованиям спецификации.

Таблица 3. Оптимальные целочисленные коэффициенты ППФ Звено фильтра 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Коэффициенты передаточной функции a1

a2

b0

b1

b2

3 –1 7 –4 –5 7 7 –2 0 –2

5 3 4 4 6 5 5 4 1 –1

–2 –7 –3 0 7 2 5 1 –6 –1

3 –1 5 –6 –7 1 3 –2 –5 –4

3 –1 3 7 3 4 2 –4 2 7

Усиление звена Kmax 1,9 1,3 2,1 2 2,7 1,1 1 1,4 1,4 1,1

Таблица 4. Квантованные вещественные коэффициенты 4‑битового ППФ Звено фильтра 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Коэффициенты передаточной функции a1

a2

b0

b1

b2

0,375 –0,125 0,875 –0,5 –0,625 0,875 0,875 –0,25 0 –0,25

0,625 0,375 0,5 0,5 0,75 0,625 0,625 0,5 0,125 –0,125

–0,25 –0,875 –0,375 0 0,875 0,25 0,625 0,125 –0,75 –0,125

0,375 –0,125 0,625 –0,75 –0,875 0,125 0,375 –0,25 –0,625 –0,5

0,375 –0,125 0,375 0,875 0,375 0,5 0,25 –0,5 0,25 0,875

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

схемотехника

проектирование

67

а

б

г

в

Рис. 7. Характеристики ВЦФ: а) АЧХ; б) ФЧХ в полосе пропускания; в) диаграмма нулей и полюсов в z‑плоскости; г) импульсная характеристика фильтра

Вариант вещественных 4‑битовых коэффициентов формата 4.3 приведен в таблице 4. Квантованные коэффициенты ВЦФ получены из целочисленных коэффициентов с помощью соотношения (2), определяющего их однозначное соответствие. Контрольный анализ характеристик ВЦФ во временной и частотной области по их квантованным 4‑битовым коэффициентам осуществлялся уже в пакете MATLAB. На рис. 7а,б приведены частотные характеристики, на рис. 7в — распределение полюсов и нулей передаточной функции в z ‑плоскости, а на рис. 7г показана импульсная характеристика квантованного фильтра. Как видно, анализ в пакете MATLAB полностью подтверждает квантованные характеристики БИХ-фильтра. При этом полюса передаточной функции при динамическом квантовании не вышли за границы допустимого максимального радиуса 0,9, а инерционность квантованного ППФ по задержке импульсного отклика составила 15 семплов. Проведем модельное тестирование работоспособности данного 4‑битового ППФ в пакете MATLAB. Для этого на временном интервале 2 с конструируем ЛЧМ-сигнал

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

с девиацией вплоть до частоты Найквиста при частоте семплирования fs = 2 кГц и пропускаем его через квантованный фильтр: Fs=2000; t=0:1/Fs:2; f0=1+[t*250]; sl=cos(2.*pi.*t.*f0); figure plot(t(1:4000),sl(1:4000)); axis([0.0 2.0 –1.2 1.2]); xlabel('Time, sec'); ylabel('Input Signal'); yl=filter(b, a, sl); figure plot(yl), grid on plot(t(1:4000),yl(1:4000)), grid on axis([0.0 2.0 –1.2 1.2]); xlabel('Samples'); ylabel('Filtered Signal');

Результаты модельной фильтрации тестового ЛЧМ-сигнала (рис. 8) подтверждают полную работоспособность квантованного 4‑битового ППФ. Практическая реализация квантованного фильтра осуществлялась на многофункциональном микроконтроллере MSP430F1611 фирмы Texas Instruments [10] с целочисленным RISC-ядром. Программный расчет отклика каскадного целочисленного ППФ при этом осуществлялся следующим образом:

// программа расчета отклика 4-битового квантованного ППФ #define IIR16_NBIQ 10 // число звеньев //коэффициенты B0i, B2i, B1i, A2i, A1i, log2(A0i) const short IIR16_COEFF[6*IIR16_NBIQ+1]={ –2,3,3,–5,–3,3, –7,–1,–1,–3,1,3, –3,3,5,–4,–7,3, 0,7,–6,–4,4,3, 7,3,–7,–6,5,3, 2,4,1,–5,–7,3, 5,2,3,–5,–7,3, 1,–4,–2,–4,2,3, –6,2,–5,–1,–0,3, –1,7,–4,1,2,3}; int DBuffer[2*IIR16_NBIQ+1]; // линии задержки int EBuffer[2*IIR16_NBIQ+1]; int IIR_Filtr(int Data) { int32 temp; short *COEFF=(short*)IIR16_COEFF; short *D = (short*)DBuffer; short *E = (short*)EBuffer; short Xc, pvalue; int i pvalue = (short)Data; for(i=0;i<IIR16_NBIQ;i++) { Xc = pvalue; temp=(long)(*COEFF++)*Xc + (long)(*COEFF++)*(*D++) + (long)(*COEFF++)*(*D––) + (long)(*COEFF++)*(*E++)+ (long)(*COEFF++)*(*E––); *D++ = *D; *E++ = *E; pvalue = (short)(temp>>*COEFF++); *D++ = Xc; *E++ = pvalue; } return (int) pvalue; }

www.kite.ru

проектирование

68

схемотехника

а

б

Рис. 8. а) Входной ЛЧМ-сигнал; б) его фильтрация квантованным ППФ

а

Измерение частотных характеристик фильтра осуществляется на реальном сигнале с помощью автоматизированной панорамной измерительной системы, разработанной в среде виртуальных приборов LabVIEW. Экспериментальные частотные характеристики фильтра для частоты дискретизации fs = 2 кГц приведены на рис. 9. Анализ выходного сигнала при нулевом входе показал, что предельные циклы того или иного рода при максимальном радиусе полюсов 0,87 в 4‑битовом ППФ отсутствуют. Таким образом, все функциональные требования при динамическом квантовании коэффициентов рекурсивного ППФ были выполнены.

Заключение

б

Рис. 9. Экспериментальные измерения: а) АЧХ; б) ФЧХ в полосе пропускания

На стадии практической реализации цифрового фильтра реального времени необходима, как известно, процедура квантования его коэффициентов для их представления заданным числом двоичных разрядов. В настоящее время в общей номенклатуре коммерческих цифровых платформ существенную долю занимают 8‑разрядные цифровые платформы, а при реализации высокоскоростных фильтров на специализированных платформах или на кристалле разрядность представления данных может быть еще ниже (до 4 или даже до 3 бит). Снижение разрядности даже на 1 бит позволяет, как известно, существенно сократить времени расчета отклика фильтра, а также необходимую для этого оперативную память цифрового вычислителя. Поэтому при проектировании высокоскоростных цифровых фильтров на кристалле разрядность представления данных во многом является определяющим фактором. Однако квантование коэффициентов малоразрядного БИХ-фильтра может приводить к существенному искажению частотных характеристик, необходимости масштабирования вещественных коэффициентов и даже к потере устойчивости рекурсивного

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

схемотехника

фильтра при выходе полюсов передаточной функции за пределы единичной окружности в z‑плоскости. Вопросам квантования при аналитическом расчете БИХ-фильтра посвящено много работ, в которых отмечается, что при высоком порядке фильтра весьма существенные трудности возникают уже при квантовании вещественных данных до 8–10 бит, что и подтверждается приведенными в статье данными. Эти негативные последствия могут во многом быть устранены применением квантования в концепции динамического программирования как процесса пошагового квантования коэффициентов с их дискретной оптимизацией на каждом шаге по общей для всего процесса квантования целевой функции. Для приведенного в статье примера динамическое квантование коэффициентов позволило практически на порядок уменьшить функциональную ошибку реализации требуемых характеристик 4‑битового цифрового БИХфильтра в сравнении с классическим статистическим квантованием. Современные алгоритмы минимизации на дискретной сетке с заданной разрядностью представления параметров позволяют решать динамическую задачу квантования надежно и эффективно, что дает возможность значительно повысить качество проектируемых малоразрядных фильтров и сократить время их разработки. Из материалов, приведенных в статье, видно, что квантование коэффициентов цифрового БИХ-фильтра численными методами динамического программирования позволяет: • Проектировать фильтры минимальной разрядности представления коэффициентов в целочисленном или вещественном квантованном пространстве.

• Гарантировать устойчивость решения для БИХ-фильтров приоритетным выполнением функциональных условий устойчивости в процессе динамического квантования коэффициентов. При этом возможно задание требуемого максимального радиуса полюсов передаточной функции, что позволяет эффективно управлять добротностью квантуемого фильтра в случае возникновения предельных циклов того или иного рода.

• Обеспечить масштабирование сигнала в каскадных структурах непосредственно в процессе динамического квантования.

проектирование

69

• Целочисленная дискретизация коэффициентов БИХ-фильтра позволяет получать малоразрядные решения в целых числах, что обеспечивает максимальное быстродействие при работе фильтра в реальном времени и снимает все ограничения по арифметике вычислений при реализации квантованных фильтров на любых цифровых платформах (сигнальных процессорах, контроллерах, FPGA) с заданной разрядностью представления данных, а также на кристаллах заказных или полузаказных СБИС. n

Литература 1. Айфичер Э., Джервис Б. Цифровая обработка сигналов: практический подход. М.: Вильяме, 2004.

2. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1978.

3. Мингазин А. Т. Синтез передаточных функций цифровых фильтров в области дискретных значений коэффициентов // Электронная техника. Сер. 10. 1993. № 1, 2.

4. Вентцель Е. С. Исследование операций. Задачи, принципы, методологии. М.: Наука, 1988.

5. Есипов Б. А. Методы оптимизации и исследования операций. Самара, Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2007.

6. Бугров В. Дискретный синтез минимально-фазовых и линейно-фазовых цифровых БИХ-фильтров // Компоненты и технологии. 2019. № 10.

7. Бугров В. Н., Пройдаков В. И., Артемьев В. В. Синтез цифровых фильтров методами целочисленного нелинейного программирования. 17‑я международная конференция «Цифровая обработка сигналов и ее применение — DSPA‑2015». Тезисы докладов. М.: НТО РЭС им. А. С. Попова, 2015.

8. Zangwill W. I. Non-linear programming via penalty functions // Management Science. 1967. Vol. 13. Iss. 5.

9. Воинов Б. С., Бугров В. Н., Воинов Б. Б. Информационные технологии и системы: поиск оптимальных, оригинальных и рациональных решений. М.: Наука, 2007.

10. Семенов Б. Ю. Микроконтроллеры MSP430. Первое знакомство. М.: Солон-пресс, 2006.

новости

Микросхемы GN2538 и GN2539 семейства Tri-Edge компании Semtech для ВОЛС Компания Semtech объявила о начале серийного производства микросхем GN2538 и GN2539 семейства Tri-Edge, предназначенного для разработок оборудования сетей ЦОД на основе многомодового оптического волокна. ИС GN2538 — двухканальная схема восстановления тактовых сигналов и данных с импульсно-кодовой модуляцией четвертого уровня стандарта 50G с интегрированными драйверами VCSEL (полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором и поверхностным излучением). Драйвер лазера, интегрированный в ИС GN2538, включает схему компенсации передающего полупроводникового лазера собственной разработки компании Semtech, наличие которой позволяет использовать широкий диапазон типов полупроводниковых лазеров с полностью адаптивным выравниванием входного сигнала обратной связи, быстрым стартом и легкой настройкой схемы. ИС GN2539 представляет собой двухканальную схему восстановления тактовых сигналов и данных с импульсно-кодовой модуляцией четвертого уровня стандарта 50G с интегрированными линейными трансимпедансными усилителями. Встроенный линейный трансимпедансный усилитель ИС GN2559 обеспечивает превосходные характеристики приемника полупроводникового модуля, показывая высокий уровень надежности схемы адаптации, и содержит конфигурируемую схему частотной коррекции выходного сигнала, позволяя разрабатывать надежные совместимые интерфейсы. Представленный набор микросхем является дополнением к существующей платформе восстановления тактовых сигналов и данных Tri-Edge компании КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

Semtech. Небольшое энергопотребление и простота разработки конечных устройств на базе ИС GN2538 и GN2539 позволит центрам обработки данных модернизировать внутренние сети ЦОД и повысить общую эффективность их работы. Оборудование, созданное с использованием ИС GN2538 и GN2539, уже прошло тестирование и подтвердило способность к взаимодействию с 100G-портами подключения коммерчески доступных коммутаторов стандарта Ethernet, используемых в ведущих ЦОД. Высокий уровень интеграции, предлагаемый ИС аналогового импульсно-кодового модулятора четвертого уровня GN2538 и ИС управляющей логики GN2539, позволяет значительно снизить стоимость конечного решения и получить низкопотребляющее и обеспечивающее малое время задержки решение. Представленный набор микросхем полностью поддерживает спецификацию связи 50Gbit на одно многомодовое волокно стандарта Open Eye MSA. www.icquest.ru

www.kite.ru

70

проектирование

схемотехника

Разводка печатной платы для снижения ЭМИ на примере четырехключевого повышающе-понижающего контроллера с одинарным и двойным «горячим» контуром

Ен Хван Чо (Yong Hwan Cho) yonghwan.cho@analog.com Кит Солуша (Keith Szolusha) keith.szolusha@analog.com Перевод: Евгений Ивашенко eugeny.ivashenko@eltech.msk.ru

Ч

В автомобильных приложениях электрические цепи должны отвечать строгим стандартам электромагнитной совместимости, чтобы избежать помех в диапазонах частот радиовещания и мобильной связи. Во многих случаях решения на базе технологии Silent Switcher и Silent Switcher 2 могут существенно повлиять на соответствие этим стандартам. Тем не менее необходимо уделять особое внимание разводке печатной платы. В статье рассматривается два возможных решения для повышающе-понижающего контроллера с четырьмя ключами и сравниваются результаты тестирования в безэховой камере.

етырехключевой повышающе-понижающий контроллер объединяет функции повышающего и понижающего контроллеров в одной микросхеме, преобразователь работает как понижающий, когда выходное напряжение ниже входного, и как повышающий, если выход выше входа. В пограничной области, где входное и выходное напряжения совпадают, могут работать все четыре ключа. Исследовательская группа Analog Devices изучила эффективность оригинальной разводки платы с двойным контуром «горячей» петли и выяснила, сможет ли использоваться альтернативная разводка для уменьшения ЭМИ и удовлетворения требованиям стандартов. Испытания проводились на безэховой камере Analog Devices, расположенной в г. Санта-Клэр, Калифорния. Схема двойной «горячей» петли подразумевает симметричное расположение керамических конденсаторов контура вокруг силовых МОП-транзисторов для подавления электромагнитных помех. Компания Analog Devices предлагает уникальное расположение токоизмерительного резистора — рядом с катушкой индуктивности и за пределами «горячих» контуров, это уменьшает размер самой петли и минимизирует антенный эффект. Для достижения симметрии и подсоединения ключей к индуктору требуются переходные отверстия коммутационного узла, которые могут увеличить площадь «горячего» контура. Используя безэховую камеру, соответствующую требованиям стандарта CISPR 25, исследовательская группа обнаружила, что наличие переходных отверстий и большая площадь «горячего » контура приводят к нежелательным кондуктивным помехам, особенно на частоте 30 МГц (FM-диапазон), поскольку в этом частотном диапазоне довольно сложно ослабить помехи. Оригинальная компоновка повышающе-понижающего контроллера, имеющая один «горячий» контур, способна уменьшить размер контура за счет перестановки его силовых транзисторов и конденсаторов. Эта компоновка известна как одинарный «горячий» контур и представляет собой аналог двойного «горячего» контура. Преимущество одинарного «горячего» контура заключается не только в меньших

потерях при переключении, но и в том, что кондуктивные помехи на частоте выше 30 МГц сокращаются из-за минимальной площади «горячего» контура и уменьшения воздействия коммутационного узла. Эффективность данного решения проверяется при сравнении электромагнитных помех, в обеих схемах применяются одинаковые контроллеры и компоненты силовой цепи. Для проведения экспериментов были протестированы две отладочные платы повышающе-понижающего контроллера LT8392 (DC2626A rev.2 и DC2626Arev.3).

Сравнение разводки печатных плат На рис. 1 представлены схемы и фотографии плат с двойным и одинарным «горячим» контуром. Каждая плата имеет четыре слоя, однако показаны только верхний и нижний слои. Как видно на рис. 1а, конденсаторы «горячего» контура расположены слева и справа от центральных МОП-транзисторов и образуют идентичные «горячие» контуры. Переходные отверстия предназначены для подключения узлов коммутации SW1 и SW2 к силовой катушке индуктивности через нижний слой (рис. 1в) и слой 3. Верхние медные полигоны узлов SW1 и SW2 имеют большую площадь для лучшего рассеивания потерь мощности силовых компонентов схемы (транзисторы, катушка). В то же время неэкранированные коммутационные узлы SW1 и SW2 становятся источниками излучения электромагнитных помех. Если плата расположена вблизи заземленного корпуса, между заземлением и площадкой коммутационного узла образуется паразитная емкость. Это создает поток высокочастотных помех от узла коммутации к «земле» и влияет на другие цепи в системе. В безэховой камере, соответствующей стандарту CISPR 25, высокочастотный шум распространяется через заземленный стол, установку и эквивалент сети. Открытый коммутационный узел также действует как антенна и, соответственно, излучает электромагнитный шум. Однако схема с одинарным «горячим» контуром не имеет переходных отверстий и соединительного полигона на нижнем слое печатной платы, как показано на рис. 1г.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

схемотехника

проектирование

а

б

в

г

д

е

71

Рис. 1. Схемы и фотографии собранной платы с двойным и одинарным «горячим» контуром: а) двойной «горячий» контур, верхний слой; б) одинарный «горячий» контур, верхний слой; в) двойной «горячий» контур, нижний слой; г) одинарный «горячий» контур, нижний слой; д) компоненты двойного «горячего» контура; е) компоненты одинарного «горячего» контура

На верхнем слое (рис. 1б) конденсаторы «горячего» контура расположены только с одной стороны силовых транзисторов, что позволяет подключать узел к индуктору без использования переходных отверстий. В схеме с одинарным «горячим» контуром верхний и нижний МОПтранзисторы не выровнены, один из них повернут на 90°, чтобы сделать «горячий» контур как можно меньше. Размеры двойного «горячего» контура и одинарного «горячего» контура сравниваются на рис. 1д и рис. 1е, они выделены желтыми прямоугольниками. Можно видеть, что размер одинарного «горячего» контура в два раза меньше. Следует отметить, что два конденсатора двойного «горячего» контура 0402, показанные на рис. 1а, не используются, вместо них конденсаторы размером 1210 прижаты к транзисторам, чтобы создать наименьший возможный «горячий» контур. Паяльная маска рядом с контактной площадкой конденсатора 0402 зачищена для надежного подключения конденсаторов 1210. Кроме того, удалена маска рядом с контактной площадкой катушки индуктивности, чтобы можно было использовать тот же самый индуктор. Меньший размер «горячего» контура означает, что общая индуктивность контура меньше. Таким образом, снижаются потери переключения и ослабляется коммутационный звон. Кроме того, уменьшенный «горячий» контур вносит вклад в уменьшение кондуктивных помех в диапазоне частот выше 30 МГц, поскольку излучаемые помехи оказывают воздействие на кондуктивные помехи в этом диапазоне частот. При помощи повышающе-понижающего контроллера Analog Devices с четырьмя ключами можно cформировать «горячий» контур с минимальными размерами благодаря запатентованной схеме

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

управления пиковым током (peakbuck/peakboost). Резистор для измерения тока соединен последовательно с основным индуктором. В отличие от этого решения контроллеры других производителей микросхем используют иную схему токового управления (valley buck/peak boost), в которой шунтовой резистор должен быть установлен между истоком транзисторов нижнего плеча и «землей». На рис. 2 показана рекомендуемая схема одного из таких понижающе-повышающих преобразователей. Можно заметить, что контур «горячей» петли, от-

Рис. 2. Рекомендуемая разводка для контроллера LM5176

www.kite.ru

72

проектирование

схемотехника

а

б

Рис. 3. Сравнение электромагнитных помех двойного и одинарного «горячего» контура: а) метод измерения напряжения, пиковые и средние значения; б) метод пробника тока, расстояние 50 мм

меченный желтым цветом, имеет больший размер по сравнению с рассмотренными ранее двойным и одинарным контурами. Более того, паразитная индуктивность токоизмерительного резистора увеличивает общую индуктивность «горячего» контура.

Сравнение излучаемых ЭМП Были проведены испытания на электромагнитные помехи двойного «горячего» контура и одинарного «горячего» контура в безэховой камере, соответствующей стандарту CISPR 25, результаты представлены на рис. 3, на котором также отмечены ограничения согласно CISPR 25 класса 5. Синим цветом показан график для двойного контура, красным — для одинарного контура, серая линия — уровень шума, измеренный в условиях окружающей среды. Как видно на рис. 4, открытые коммутационные узлы нижних слоев двойного «горячего» контура экранированы медной лентой, чтобы показать, насколько эффективен «горячий»контур меньшего размера. Излучение двойного «горячего»контура без медного экрана намного выше, чем результат, представленный на рис. 3. Выходное напряжение составляет

12 В при токе нагрузки 8 А, входное напряжение установлено на 13 В, чтобы схема работала в режиме переключения с четырьмя ключами. На рис. 3а показаны результаты, полученные методами измерения пиковых и средних значений напряжения помех. Одинарный «горячий» контур имеет запас 5 дБмкВ на частотах выше 30 МГц и удовлетворяет стандарту CISPR 25 класса 5 как для пикового, так и для среднеквадратичного метода измерения напряжения. Двойные «горячие» контуры имеют превышение в УКВ‑диапазоне (68–108 МГц), выделено желтым прямоугольником (верхний правый рисунок). Следует обратить внимание, что снижение на 5 дБмкВ в этом диапазоне частот становится действительно сложной задачей. Одиночный «горячий» контур эффективен не только в высокочастотном диапазоне 30 МГц, который является наиболее сложной областью для ослабления, но и на более низкой частоте (2 МГц), которая включает СВ‑диапазон (0,53–1,8 МГц). Всегда предпочтительно иметь более низкие выбросы, особенно если это кондуктивные помехи, так как они влияют на всю электрически связанную систему.

Метод измерения токовыми пробниками — еще один способ измерения, определяющийся стандартом CISPR 25 класса 5. С его помощью измеряются синфазные кондуктивные излучения на расстоянии 50 мм и 750 мм от тестируемого устройства (DUT), в то время как метод напряжения измеряет смешанные синфазные и дифференциальные помехи. На рис. 3б и рис. 3в сравниваются излучения, измеренные методом токовых пробников в схемах с двойным и одинарным «горячим» контуром. Они показывают, что одинарный

Рис. 4. Экранирование для двойного «горячего» контура

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

схемотехника

проектирование

73

в

г

Рис. 3. Сравнение электромагнитных помех двойного и одинарного «горячего» контура: в) метод пробника тока, расстояние 750 мм; г) излучаемые помехи, вертикальная поляризация

«горячий» контур имеет более низкие излучения в диапазоне частот выше 30 МГц, особенно в диапазоне УКВ, как показано в прямоугольниках, выделенных желтым цветом. В отличие от предыдущего метода измерения нет значительного преимущества одинарного «горчего» контура перед двойным контуром в СВ‑диапазоне частот.

а

Наконец, на рис. 3г показаны излучаемые помехи двух различных схем повышающепонижающих преобразователей. Результаты почти идентичны, за исключением того, что у двойного «горячего» контура есть пик на частоте, близкой к 90 МГц, который имеет значение на 5 дБмкВ/м выше, чем для одинарного контура.

Сравнение тепловых характеристик схем На рис. 5 дано сравнение температуры плат с двойным и одинарным «горячим» контуром. Тепловизионные изображения снимаются при входном напряжении 9,4 В с включенным режимом SSFM. Напряжение 9,4 В

б

Рис. 5. Тепловизионные снимки двух контуров: а) тепловое изображение двойного «горячего» контура; б) тепловое изображение одинарного «горячего» контура

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

www.kite.ru

74

проектирование

является пограничным при переходе из четырехключевого режима в двухключевой повышающий режим, для варианта с выходным напряжением 12 В. Таким образом, условия испытания являются максимально жесткими. Самый тепловыделяющий компонент двойного «горячего» контура — нижний MOSFET повышающего контура, одинарный «горячий» контур имеет почти такую же температуру. Хотя одинарный «горячий» контур не имеет переходных отверстий и дополнительного полигона на нижней стороне платы для отвода тепла, его потери при переключении ниже, чем у двойного «горячего» контура, из-за меньшего размера. Кроме того, благодаря отсутствию переходных отверстий одинарный «горячий» контур обеспечивает лучшее рассе-

новости

схемотехника

ивание тепла на верхнем слое, поскольку площадь контакта истока MOSFET-транзистора и контактной площадки узла коммутации больше, чем у двойного «горячего» контура.

Заключение Предложенная новая топология повышающе-понижающего преобразователя с одинарным «горячим» контуром рекомендована для новых высокомощных приложений. Благодаря минимизации воздействия коммутационного узла и «горячей» петли удается снизить кондуктивные и излучаемые помехи без ухудшения тепловых характеристик. Примечательно, что уменьшаются кондуктивные помехи в диапазоне частот выше

30 МГц, который является наиболее сложной областью частот для ослабления и фильтрации. Благодаря фирменной функции токового управления peakbuck/peakboost у контроллеров ADI с четырьмя переключателями (LT8390/LT8390A, LT8391/LT8391A, LT8392, LT8393, LT8253 и т. д.), «горячий» контур может быть значительно меньше, чем у других производителей микросхем. Особенности схемы управления обеспечивают более высокую энергоэффективность и более низкий уровень электромагнитных помех, что делает buck-boost-контроллеры ADI с четырьмя переключателями лучшим выбором для автомобильных приложений или любых приложений, чувствительных к электромагнитным помехам. n

измерительная аппаратура

Серии АКИП‑4135 с полосой пропускания 2 ГГц

Компания «ПриСТ» представляет новую серию цифровых запоминающих осциллографов под торговой маркой АКИП. Новая серия АКИП‑4135 представлена тремя четырехканальными моделями с полосами пропускания 500 МГц, 1 и 2 ГГц, максимальная частота дискретизации 5 ГГц на канал (10 ГГц в режиме ESR), максимальная глубина памяти 500 Мбайт, память делится между активными каналами. Для осциллографов серии АКИП‑4135 доступна опция логического анализатора на 16 цифровых каналов для обеспечения возможности анализа смешанных сигналов. В осциллографах серии АКИП‑4135 применена технология SPO (Super Phosphor Oscilloscope), обеспечивающая максимальную скорость захвата данных до 170 000 осцилл/с (нормальный режим работы) и до 750 000 осцилл/с в режиме сегментированной развертки, 256 уровней интенсивности свечения луча (яркостная или цветовая градация частоты разверток в зависимости от частоты их повторения). В данной серии осциллографов также используется инновационная цифровая система синхронизации с высокой чувствительностью и низким уровнем джиттера. Система синхронизации поддерживает несколько мощных режимов запуска, включая запуск по последовательным данным. Такие стандартные и опциональные инструменты, как запись истории сигналов, функции поиска и навигации, тестирование по маске, график Боде, анализ мощности, построение глазковых диаграмм и анализ джиттера, позволяют регистрировать, сохранять и анализировать захваченные формы сигналов. Впечатляющий набор измерительных и математических возможностей, опции генератора сигналов произвольной формы до 25 МГц, а также декодирование последовательных данных — таковы особенности новой серии цифровых осциллографов АКИП‑4135. Большой емкостный сенсорный дисплей с диагональю экрана 30,7 см и разрешением 1280×800, а также удобный и функциональный пользовательский интерфейс позволяют значительно повысить эффективность работы.

Осциллограф имеет поддержку управления с помощью мыши или удаленное управление через Интернет. Ключевые особенности: • Четыре аналоговых канала с полосой пропускания до 2 ГГц и частотой дискретизации до 5 ГГц (10 ГГц в режиме ESR) на канал.

• Низкий уровень собственных шумов, обеспечивающий установку коэффициента отклонения в диапазоне 0,5 мВ/дел. – 10 В/дел.

• Технология SPO: – скорость захвата данных: до 170 000 осцилл/с (нормальный режим), до 750 000 осцилл/с (сегментированная память); – поддержка 256‑уровневой интенсивности свечения луча; – максимальная глубина памяти: 500 Мбайт (делится между активными каналами); – инновационная цифровая система синхронизации.

• Широкий набор видов синхронизации с поддержкой синхронизации по выделенной зоне (до двух зон).

• Декодирование сигналов: стандартно — I2C, SPI, UART/RS232, CAN, LIN, опционально — CAN FD, FlexRay, I2S, MIL-STD‑1553B, SENT, Manchester.

• Режим сегментированной памяти, разделение максимальной длины записи на несколько сегментов (до 80 000) в соответствии с условиями схемы синхронизации, с очень малым межсегментным временем (≤1,3 мкс).

• Режим HISTORY — запись (до 80 000 кадров) и обратное воспроизведение осциллограмм (прокрутка во времени назад) для обнаружения предыдущих аномалий.

• Автоматические измерения более чем 50 параметров, поддержка статистики с построением гистограммы, трека, тренда, возможность измерения на выделенном с помощью курсоров участке осциллограммы.

• Четыре математических канала (БПФ-анализ при длине памяти 8 Мбайт, сложение, вычитание, умножение, деление, интегрирование, дифференциал, корень квадратный и т. д.), поддержка редактора формул.

• Широкий набор функций анализа данных, таких как поиск и навигация, цифровой вольтметр, частотомер, гистограмма осциллограмм, измерение АЧХ (график Боде), опциональные возможности по анализу мощности и анализ глазковых диаграмм/джиттера.

• Опция 16‑канального логического анализатора.

• Опция функционального/генератора сигналов произвольной формы до 25 МГц.

• Большой емкостный сенсорный дисплей с диагональю экрана 30,7 см и разрешением 1280×800.

• Интерфейсы: USB Hosts, USB Device (USBTMC), LAN (VXI‑11/Telnet/Socket), карта micro SD, допусковый контроль (Pass/Fail), выход синхронизации, HDMI. • Встроенный веб-сервер с поддержкой удаленного управления через порт LAN с помощью веб-браузера. Поддержка команды дистанционного управления SCPI. Поддержка управления с помощью мыши и клавиатуры. www.prist.ru КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

Реклама

проектирование

76

САПР

IAR: пошаговая установка среды разработки IAR Embedded Workbench и правила переноса лицензий под руководством LMS2

Татьяна Мамаева tm@efo.ru

Основу среды разработки IAR Embedded Workbench составляют высокоэффективные компиляторы для широкого спектра 8-, 16-, 32-, 64‑разрядных микропроцессоров. Типовой комплект коммерческой лицензии IAR Embedded Workbench содержит компилятор C/C++, транслятор ассемблера, компоновщик, управляющие программы для работы с библиотечными подпрограммами, редактор, менеджер проектов, C‑SPY-отладчик, RTOS-плагины, руководство пользователя, годовую техническую поддержку SUA (Support and Update Agreement).

Введение По желанию пользователя среда разработки IAR Embedded Workbench может быть дополнена статическим и динамическим анализаторами кода C‑STAT и C‑RUN, встраиваемыми Trustприложениями для защиты кода от несанкционированного доступа, средствами для разработки программного кода на платформе Linux. По типу лицензирования различают локальные лицензии PC-Locked, переносимые лицензии Mobile, сетевые лицензии Network и лицензии Global с привязкой к глобальной сети [1]. В статье описаны пошаговый порядок действий для успешной установки среды разработки IAR Embedded Workbench и правила переноса лицензий под руководством системы управления LMS2 [2]. Перед началом использования выбранной среды разработки рекомендуется ознакомиться с минимальными системными требованиями, предъявляемыми к аппаратному и программному обеспечению

Рис. 1. Диалоговое окно инсталлятора

компьютера. Вся необходимая для этого информация доступна для просмотра в разделах Release Notes на сайте производителя [3].

Установка IAR Embedded Workbench Для прохождения этого этапа требуется скачать соответствующий целевому приложению дистрибутив среды разработки с сайта IAR Systems. Далее следует отключить от компьютера все внешние USBустройства, запустить программу установки autorun.exe, выбрать команду Install IAR Embedded Workbench (рис. 1) и принять условия лицензионного соглашения. После этого нужно выполнить настройки для поддержки аппаратных отладчиков. В соответствующем диалоговом окне надо либо отметить компоненты, которые потребуются для реализации целевого проекта, либо оставить все предлагаемые установки по умолчанию. Затем указать директорию, в которую будет установлена среда разработки IAR Embedded Workbench, и за-

Рис. 2. Стартовое диалоговое окно License Wizard

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

САПР

Рис. 3. Приветственное письмо Welcome Letter

дать имя папки для размещения IAR Embedded Workbench в меню «Пуск» ОС Windows. В следующем диалоговом окне требуется кликнуть Install, чтобы запустить процесс инсталляции. По завершении этапа инсталляции необходимо запустить среду разработки IAR Embedded Workbench. Приложение License Wizard активируется автоматически. В появившемся диалоговом окне (рис. 2) надо выбрать опцию If you have a license number, enter it here и ввести номер лицензии, указанный в сопровождающем поставку письме Welcome Letter (рис. 3). Для оценочной версии выбирают опцию Register with IAR Systems to get an evaluation license. При отсутствии доступа к Интернету лицензия может быть активирована в режиме офлайн. Подробнее с этой процедурой можно ознакомиться в руководстве Licensing Guide LMS2 [4]. В следующем диалоговом окне (рис. 4) требуется кликнуть кнопку Register и ввести свои регистрационные данные на открывшейся веб-странице компании IAR Systems. Для оценочной версии дополнительно нужно выбрать тип лицензии — Time Limited (14 days) или

Рис. 4. Диалоговое окно для регистрации среды разработки

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

проектирование

77

Code Size Limited. После отправки регистрационных данных и получения подтверждающего электронного письма от IAR Systems необходимо кликнуть кнопку Next, чтобы продолжить активацию. Для лицензии Mobile в следующем диалоговом окне будет предложено подтвердить данные своего ключа USB dongle. Для этого необходимо подключить сопровождающий поставку IAR Embedded Workbench аппаратный ключ и нажать кнопку Next. Далее в диалоговом окне License Wizard (рис. 5) потребуется еще раз подтвердить лицензионные данные, кликнув кнопку Next и затем Done. Это заключительное действие перед началом работы с оценочными лицензиями. Коммерческие лицензии PC-locked и Mobile на этом этапе получают статус Temporary Startup License с предоставлением права временного пользования средой разработки IAR Embedded Workbench. В течение пяти рабочих дней на e‑mail, указанный пользователем в своей регистрационной форме, компания IAR Systems направляет сообщение, подтверждающее возможность активации права бессрочного пользования (Permanent License). Для активации права бессрочного пользования необходимо запустить программу IAR Systems License Manager из меню «Пуск» ОС Windows или из меню Help, расположенного в рабочем окне среды разработки IAR Embedded Workbench, и в появившемся диалоговом окне выбрать команду License → Check for License Renewal. Далее появится диалоговое окно, в котором надо кликнуть Check selected licenses. В появившемся списке доступных обновлений Available Renewals надо выбрать требуемое обновление, кликнуть Install selected и OK. На этом процесс установки лицензий PC-locked и Mobile считается полностью завершенным. Скачивать обновления версий в период SUA, следить за текущим статусом лицензий, получать дополнительную техническую документацию можно, зарегистрировавшись на сайте [5] (рис. 6). Чтобы получить логин и пароль для входа в MyPages, необходимо ввести указанный при регистрации лицензии e‑mail. Под управлением программы License Manager автоматически формируются уведомления об изменении статуса лицензии или об окончании срока действия годовой техподдержки. Дополнительную справочную информацию и рекомендации по применению начинающие пользователи могут получить в рабочем окне среды разработки, выбрав Help → Information Center (рис. 7), или на сайте производителя IAR Systems.

Перенос лицензий с одного компьютера на другой Опция переноса лицензии с одного компьютера на другой доступна только для коммерческих лицензий [4]. Для оценочных лицензий на новом рабочем месте потребуется выполнить новую инсталля-

Рис. 5. Диалоговое окно для подтверждения лицензионных данных

www.kite.ru

78

проектирование

САПР

полностью соответствует своему названию и легко переносится с одного компьютера на другой. Для этого достаточно инсталлировать среду разработки на другом рабочем месте, запустить IAR License Manager, выбрать License → Activate License. После этого можно будет попеременно работать на разных рабочих местах, просто переставляя аппаратный ключ USB dongle.

Заключение

Рис. 6. Окно браузера для регистрации на MyPages

цию. Переносить PC-locked лицензию можно не более трех раз в течение 12 месяцев. Процесс переноса начинается с запуска программы IAR License Manager из меню «Пуск» ОС Windows. Для того чтобы запустить приложение License Wizard, в появившемся окне надо выбрать License → License Transfer. Далее выбрать Online Transfer и кликнуть кнопку Next. В следующем окне будут отображены все необходимые сведения о действующей лицензии. Поскольку для инсталляции на другом компьютере будет использоваться номер текущей лицензии, его надо обязательно где-нибудь сохранить или запомнить. Затем следует кликнуть кнопку

Next, чтобы запустить процесс деактивации. На новом рабочем месте инсталляция производится стандартным образом, уже описанным выше. В стартовом диалоговом окне License Wizard потребуется ввести номер лицензии, который сохранили ранее. Далее следует опять запустить IAR License Manager и выбрать License > Activate License, чтобы активировать свою лицензию. На этом процесс переноса PC-locked лицензии считается завершенным. При невозможности выполнения процесса деактивации из-за поломки компьютера перенос лицензии PC-locked на другой ПК осуществляется по личному заявлению пользователя. Лицензия Mobile

В статье рассмотрены процесс установки и правила переноса лицензий IAR Systems под руководством системы управления LMS2. Подводя итог, еще раз перечислим основные действия пользователя для успешной установки лицензии. Чтобы начать работать в среде разработки, необходимо скачать дистрибутив, инсталлировать IAR Embedded Workbench, активировать оценочную лицензию или лицензию с предоставлением права временного пользования, после получения подтверждающего письма от IAR Systems активировать право бессрочного пользования, зарегистрироваться на MyPages, чтобы получать обновления и техническую поддержку. n

Литература 1. Мамаева Т. IAR: дистанционная модель обучения, выпуск новых компиляторов, изменения в кодировке // Компоненты и технологии. 2020. № 7.

2. IAR: Руководство Installation and Licensing Quick Reference Guide LMS2.

3. www.iar.com 4. IAR: Руководство Licensing Guide LMS2.

5. www.iar.com/mypages

Рис. 7. Окно со справочной информацией в среде IAR Embedded Workbench

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

САПР

проектирование

79

ADI Precision Studio от компании Analog Devices

Владимир Макаренко, к. т. н. v.makarenko@vdmais.ua

В статье приведена краткая информация о наборе веб-инструментов ADI Precision Studio и подробно рассмотрена работа с программой Analog Filter, имеющей очень существенные отличия от предыдущей версии. Эта программа позволяет выполнять проектирование фильтров нижних и верхних частот, полосовых фильтров с использованием трех аппроксимаций Баттерворта, Чебышева или Бесселя. С помощью данной программы инженер может как автоматически выбрать параметры элементов, так и сделать это по своему усмотрению. В результате проектирования пользователь получает не только принципиальную схему, но и полный комплект документации на создаваемый фильтр.

К

омпания Analog Devices предлагает набор веб-инструментов ADI Precision Studio [1], который поможет пользователям проектировать схемы обработки и преобразования сигналов быстрее. В этот набор входят следующие программы (рис. 1): • Analog Filter — мастер проектирования аналоговых RC-фильтров; • In AMP — программа проектирования входных усилителей; • Photodiode — программа для проектирования устройств с фотодиодами; • DAC — симулятор работы цифро-аналоговых преобразователей; • ADC Driver — точный инструмент для проектирования драйверов АЦП; • DDS — симулятор работы синтезаторов прямого цифрового синтеза; • Virtual Eval — виртуальная оценка характеристик АЦП и ЦАП в онлайн-режиме. Рассмотрим основные возможности этих программ.

Аналоговый фильтр

и их обозначения, которые приведены на рис. 3: fC — частота среза; f S — частота гарантированного затухания; aC — неравномерность АЧХ в полосе пропускания; aS — неравномерность АЧХ в полосе непропускания. Для корректного задания параметров необходимо воспользоваться соотношением:

√fC1fC2 = √f S1f S2 = 0, где f0 — центральная частота фильтра. Для выбора типа аппроксимации можно воспользоваться графиками нормированных АЧХ, приведенных на рис. 4. В программе Analog Filter Wizard параметры фильтра задаются в несколько необычной форме. Для проектирования полосового фильтра нужно указать ширину полосы пропускания с заданной неравномерностью, ширину полосы частот на уровне гарантированного затухания и центральную частоту.

При нажатии на кнопку Analog Filter открывается окно (рис. 2), в котором показаны доступные для проектирования фильтры: нижних частот (Low Pass), верхних частот (High Pass) и полосовых (Band Pass). Для демонстрации возможностей программы рассмотрим пример проектирования полосового фильтра (ПФ). Для того чтобы верно задать параметры фильтра, напомним основные параметры фильтров

Рис. 1. Набор веб-инструментов ADI Precision Studio

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

Рис. 2. Главное окно программы Analog Filter Wizard

www.kite.ru

проектирование

80

САПР

а

б

в

Рис. 3. Форма АЧХ и обозначение параметров: а) ФНЧ; б) ФВЧ; в) СФ. Примечание: ПП — полоса пропускания; ПН — полоса непропускания

Зададим произвольно параметры ПФ: fC1 = 300 Гц; fC2 = 4300 Гц; f S1 = 150 Гц, f S2 = 8600 Гц; aC ≤ 3 дБ, aS ≤ 50 дБ. Рассчитаем необходимые для ввода в программу параметры: • Passband = fC2–fC1 = 4300–300 = 4100 Гц; • Stopband = f S2–f S1 = 8600–150 = 8450 Гц; • Center Frequency = f0 = √fC1fC2 = √3004300 = 1136 Гц. Надо учесть, что программа позволяет проектировать полосовые фильтры только с симметричной характеристикой в полосе непропуска, то есть скорость спада слева и справа должна быть одинаковой. В рассматриваемом примере скорость спада одинакова с обеих сторон и равна 50 дБ/октава. После нажатия кнопки Band Pass открывается окно ввода параметров СФ (рис. 5). В зоне, обозначенной как Filter response, перемещением ползунка задается тип аппроксимации частотной характеристики фильтра. Когда курсор мыши подведен к ползунку, всплывает название аппроксимации, что соответствует выбранному положению. По умолчанию ползунок устанавливается в центре, что соответствует аппроксимации Баттерворта. При перемещении ползунка влево будет использоваться аппроксимация Чебышева. Чем левее установлен ползунок, тем больше неравномерность АЧХ в полосе пропускания, которая при перемещении изменяется в пределах 0…–3 дБ с шагом 0,01 дБ. При смещении ползунка вправо фильтр будет аппроксимирован по Бесселю. Неравномерность АЧХ уменьшается при смещении вправо в диапазоне 0,98–0,02 дБ с шагом 0,02 дБ. Из уведомления на рис. 5 следует, что программа не позволяет реализовать фильтр большего, чем 10‑го, порядка и не нашла другого варианта, чем использование аппроксимации Чебышева с неравно-

Рис. 5. Окно ввода параметров полосового фильтра

Рис. 4. Нормированные АЧХ ФНЧ разных типов аппроксимации

мерностью АЧХ 3 дБ. После перемещения ползунка в крайнее левое положение в окно выводится АЧХ фильтра (рис. 6). В окне View можно выбрать для просмотра (рис. 7): АЧХ в дБ или в безразмерных единицах, фазочастотную характеристику (ФЧХ) в градусах или радианах, групповое время задержки (ГЧЗ), фазовую задержку, переходную характеристику и функциональную

Рис. 6. Окно ввода параметров СФ с рассчитанным порядком фильтра

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

САПР

схему (Stages). По умолчанию выводится АЧХ в дБ (Magnitude, dB). Для примера на рис. 8 и 9 приведена характеристика ГЧЗ и функциональная схема фильтра соответственно. На функциональной схеме указаны типы звеньев фильтра (ФНЧ или ФВЧ), порядок звена, частота и добротность полюса. Подробнее о добротности и частоте полюса можно посмотреть в [2]. Следует обратить внимание на то, что фильтр в этой программе реализуется путем последовательного соединения звеньев ФНЧ и ФВЧ. Хотя фильтр 10‑го порядка, для его реализации требуется шесть каскадов. Оптимально ли это с точки зрения минимизации количества элементов? Нет, это не так. Если реализовать фильтр Чебышева с указанными параметрами и использованием звеньев СФ, то порядок фильтра будет равен 10, но для реализации потребуется только пять звеньев, что упрощает конструкцию фильтра. При расчетах ФНЧ и ФВЧ программа позволяет сформировать фильтр с минималь-

проектирование

81

Рис. 7. Выпадающее меню окна выбора параметра

ным количеством элементов. Для перехода к следующему, второму шагу необходимо нажать значок «>», расположенный с правого края рабочего окна. В следующем окне View можно выбрать для отображения гораздо больше различных параметров (рис. 10). Дополнительно можно пересмотреть зависимость входного сопротивления от частоты

Рис. 8. Характеристика ГЧЗ полосового фильтра

(Input Impedance), шума (Noise), потребляемой мощности (Power), диапазона выходного напряжения каждого из звеньев (Voltage Range), функциональную схему фильтра

Рис. 9. Функциональная схема полосового фильтра с указанными частотами полюсов, их добротностями и АЧХ звеньев

Рис. 10. Выпадающее меню View на следующем шаге

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

Рис. 11. Окно отображения АЧХ на втором шаге проектирования

www.kite.ru

82

проектирование

САПР

Рис. 13. Отображение потребляемой мощности в окне View при выборе режима Power

Рис. 12. Зависимость уровня шума фильтра от частоты входного сигнала

с указанными значениями сопротивлений резисторов (Stage) и принципиальную схему (Circuit). В соответствии с тем, что отображалось в окне View, появится параметр на следующем шаге. Рассмотрим следующее отражение (рис. 11) в окне View при отображении на предыдущем шаге АЧХ в дБ. В окне View вновь отображается АЧХ, а слева — напряжение питания и метод оптимизации фильтра (окно Optimization). Доступны три варианта оптимизации фильтра: • Voltage Range — диапазон напряжения; • Low Noise — низкий уровень шума; • Low Power — низкое энергопотребление. Поскольку диапазон частот фильтра очень низкий, выберем режим оптимизации с низким энергопотреблением. Кроме того, программа предлагает три варианта выбора компонентов — автоматический, пользователем или с компенсацией полосы пропускания усилителей фильтра. В случае необходимости можно задать диапазон напряжения питания (по умолчанию напряжение питания задается равным ±5 В). Рассмотрим некоторые параметры фильтра, доступные на втором шаге проектирования. На рис. 12 приведена зависимость уровня шума от частоты входного сигнала. Как следует из рис. 12, максимальный уровень шума наблюдается на частотах среза фильтра. Это

легко объяснить, учитывая, что звенья фильтра с частотами полюсов, которые совпадают или близки к частотам среза, имеют максимальную добротность [2]. Кроме того, выводится подсчитанное значение среднеквадратичного уровня шума на выходе (304 мкВ) и размаха шумового напряжения (2,01 мВп-п). Для использования фильтра с АЦП, кроме зависимости шума от частоты, программа формирует информацию о необходимых параметрах АЦП (полоса пропускания не меньше чем 17 кГц) и эквивалент количества эффективных разрядов при разных значениях входного напряжения фильтра. При выборе параметра Power выводится информация об общей потребляемой мощности (3,6 мВт) и о потребляемой мощности каждого каскада (на рис. 13 приведен фрагмент схемы фильтра). Все расчеты, показанные на рисунках, соответствуют режиму автоматического выбора параметров фильтра (Pick for me по умолчанию). При выборе режима отображения Circuit (рис. 14) на экран выводится принципиальная схема всего фильтра с указанными значениями сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов. Если, находясь в режиме отображения Circuit, нажать кнопку «>», на экран будет выведена принципиальная схема (фрагмент которой приведен на рис. 15) с информацией о точности использованных компонентов (по умолчанию) — емкость конденсаторов из ряда Е24 (отклонение до 5% от номинального значения), сопротивление резисторов из ряда Е96 (отклонение до 1% от номинального значения). Отклонение полосы пропускания операционных усилителей допускается в пределах 20%.

Рис. 14. Фрагмент принципиальной схемы фильтра с указанными значениями сопротивлений и емкостей и предложенными операционными усилителями

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

САПР

проектирование

83

Рис. 15. Фрагмент схемы фильтра с приведенными значениями точности предложенных компонентов

Рис. 16. АЧХ и пределы ее отклонения при заданных по умолчанию компонентах

Рис. 17. Отображение разброса значений сопротивлений резисторов при моделировании работы фильтра

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

В случае необходимости можно задать другую точность сопротивлений и емкостей: • идеальное сопротивление или точность: 0,1–5%; • идеальная емкость или точность: 1–20%; • идеальный ОУ или с разбросом полосы пропускания 20%. На рис. 16 приведена АЧХ фильтра и границы ее возможного отклонения от идеальной при заданной точности компонентов. Чтобы уменьшить возможное отклонение АЧХ от идеальной, нужно выбирать компоненты с более высокой точностью исполнения. При просмотре информации в режиме Stages на экран выводится информация о диапазоне изменения сопротивления резисторов при моделировании работы фильтра (рис. 17). В режиме просмотра Voltage Range (рис. 18) для каждого из звеньев выводится информация об операционном усилителе: диапазон его выходного напряжения, скорость роста выходного напряжения, максимальное значение выходного напряжения, номинальное значение входного напряжения и некоторые другие несущественные параметры. Фактически на втором этапе вся информация о фильтре уже известна. Если нажать кнопку следующего шага «>», то на экран будет выведена информация, приведенная на рис. 19. На этом этапе можно просмотреть все характеристики фильтра в окне View, кото-

Рис. 18. Отображение информации о свойствах ОУ звеньев фильтра в режиме просмотра Voltage Range

www.kite.ru

84

проектирование

САПР

Рис. 21. Доступные варианты образцов для реализации полосового фильтра

Рис. 19. Окно программы в режиме отображения информации об использовании элементов в режиме просмотра Bill of Materials

Рис. 20. Сообщение на экране после нажатия кнопки Samples

Рис. 22. Перечень доступных для заказа отладочных плат

рые были доступны на предыдущих этапах. В левой части окна есть несколько дополнительных окон. В окне Order («Заказ») можно оформить заявку на бесплатные образцы при нажатии кнопки Samples (рис. 20). В сообщении компания Analog Devices информирует, что количество бесплатных образцов для клиентов ограничено из-за большого спроса на них, и поэтому нужно разделить свою заявку на две или четыре части. Также рекомендуется приобрести необходимые компоненты (если возникает потребность в большем их количестве) у официальных дистрибьюторов компании. Для заказа доступны образцы в трех вариантах исполнения (рис. 21). При нажатии кнопки Eval Board выводится окно с перечнем доступных для заказа отладочных плат (рис. 22), в том числе платы с фильтрами нижних и верхних частот, из которых можно построить любой активный RCфильтр. В окне Get Files можно выбрать: • All Files, тогда загружается архивный файл DesignFiles.zip, содержащий в своем составе папку Data Files\, папку Eval Board Files\, папку SPICE Files\ и файлы BOM.csv, design. json и Design.pdf.

• Spice Only — архивный файл, содержит только spice-модели. В файле Design.pdf приведены графики характеристик фильтра и его принципиальная схема. В файле BOM.csv — спецификация на все элементы фильтра. Файл design.json (JSON — Java Script Object Notation, текстовый формат обмена данными) содержит всю информацию по проекту: название, входные и выходные данные. В папке SPICE Files находятся spice-модели для анализа схемы фильтра на переменном токе (то есть анализа АЧХ и ФЧХ) — ACAnalysis.cir, анализа переходных процессов — TransientAnalysis.cir, анализа шумов NoiseAnalysis.cir и файл README.txt с описанием назначения файлов. В папке Eval Board Files находится три архива: EVALFWHPSK2.zip, EVAL-FW-LPSK2.zip, EVAL-FW-MOTHER.zip, в которых содержится информация об отладочных платах фильтров верхних частот (HPSK2), нижних частот (LPSK2) и материнской платы для объединения плат фильтров верхних и нижних частот. В каждом архиве есть полная информация для изготовления наладочной платы. В папке Data Files находятся файлы Excel с таблицами всех пара-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

САПР

метров: АЧХ, ФЧХ, времени задержки, входного импеданса, шума и переходной характеристики. И наконец, в окне Share вы можете поделиться копией своего проекта. После нажатия кнопки Mail to colleague откроется окно, в котором указывается название проекта и адрес электронной почты для отправки. Таким образом, программа Analog Filter позволяет не только осуществить быстро проектирование фильтра, но и получить документацию для реализации такого фильтра. Следует заметить, что на любом этапе проектирования программа позволяет сохранить промежуточный или окончательный вариант и затем загрузить его для дальнейшей работы, используя для этого кнопки Save и Load (рис. 2).

новости

проектирование

85

Посмотреть видео или получить подсказку можно, нажав кнопки Video или Help соответственно. В видеофайлах (на английском языке) можно узнать теоретические основы проектирования фильтров и различия их характеристик, методов проектирования аналоговых и цифровых фильтров. n

Литература 1. www.tools.analog.com/en/precisionstudio/ 2. Макаренко В. О выборе аппроксимации и расчете параметров активных фильтров. Часть 1 // Электронные компоненты и системы. 2013. № 1.

кварцевые генераторы

Миниатюрный термостатированный кварцевый генератор с малым энергопотреблением ГК390‑ТC менее ±5×10–8 и хорошими фазовыми шумами менее –100 дБ/Гц при отстройке на 1 Гц для 10 МГц, а также высокой долговременной нестабильностью частоты до ±1×10–8/год. Выходной сигнал КМОП. Напряжение питания 3,3 или 5 В. Основной областью применения является переносное оборудование, а также другие устройства, имеющие автономное питание. Дополнительная информация о новом изделии доступна на сайте АО «МОРИОН». АО «МОРИОН» Тел. (812) 350-7572, (812) 350-92-43 Факс: (812) 332-5025, (812) 350-15-59 sale@morion.com.ru www.morion.com.ru

Реклама

АО «Морион» (Санкт-Петербург) — ведущее предприятие России и один из мировых лидеров в области разработки и серийного производства кварцевых приборов стабилизации и селекции частоты — представляет новый малогабаритный термостатированный кварцевый генератор ГК390‑ТС с малым энергопотреблением категории качества ОТК. Прибор имеет размеры 21,2×15,5×10,5 мм. ГК390‑ТС выпускается в диапазоне частот 10–50 МГц. Миниатюрный генератор построен на основе резонатора-термостата в холодно-сварном корпусе, это позволяет получить низкое энергопотребление <0,25 Вт и быстрый выход на рабочий режим (менее 60 с). Генератор ГК390‑ТС обладает достаточно высокой температурной нестабильностью частоты

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

www.kite.ru

проектирование

86

САПР

Применение программы CodeVisionAVR для управления LCD-дисплеями в Proteus 8.11 В статье рассмотрено применение инструментов CodeVisionAVR (функций программы, генератора кода CodeWizardAVR, утилиты LCD Vision) для формирования изображения, анимации и отображения текста на экране буквенно-цифрового и графического дисплеев. Приведен пример моделирования схемы в Proteus, где под управлением микроконтроллера ATmega16 проводится измерение температуры с помощью датчика DS18S20, обработка полученных данных программой инициализации и вывод анимации (в виде смены кадров или строки загрузки), графики и информационных сообщений на экраны дисплеев. Подробно описан процесс создания с помощью утилиты LCD Vision программного кода кадров отображаемой на графическом дисплее анимированной заставки.

Татьяна Колесникова beluikluk@gmail.com

Введение Программа Proteus позволяет автоматизировать все стадии проектирования электронных устройств, включая подготовку принципиальных схем, моделирование процессов, происходящих в электронных цепях, компоновку и трассировку печатных плат, редактирование и расширение библиотек компонентов. В Proteus реализовано большое количество функций для профессионального проектирования микроэлектронных устройств, ориентированных на самые современные средства моделирования. Одной из таких функций является имитация работы микроконтроллеров. Система, в которой используется микроконтроллер, может не только чем-то управлять, но и что-то отображать. Чаще всего в качестве узла отображения в микроэлектронной системе используют дисплеи, среди которых буквенно-цифровые и графические. Буквенно-цифровые дисплеи предназначены для отображения информации в виде букв, цифр, различных знаков. Единичные элементы отображения таких индикаторов сгруппированы по строкам и столбцам. Графические дисплеи обеспечивают создание на своем экране матрицы точек, высвечивающих различную информацию (рисунки, графики, текст).

Использование инженером графического дисплея расширяет область применения устройства, повышает уровень его информативности, предоставляет большие возможности при отображении данных относительно применения буквенно-цифрового дисплея. Информация отображается на экране модуля дисплея поточечно, что позволяет получить любое необходимое изображение. На каждую точку экрана приходится один информационный бит, который управляет свечением пикселя. В Proteus буквенно-цифровые дисплеи находятся в разделе Alphanumeric LCDs (рис. 1а), а графические — в разделе Graphical LCDs библиотеки Optoelectronics (рис. 1б). При проектировании в Proteus схемы устройства вывода информации, работающего под управлением микроконтроллера AVR, написание программы инициализации и ее компиляцию можно выполнить с помощью CodeVisionAVR (интегрированной среды разработки программного обеспечения для микроконтроллеров семейства AVR).

CodeVisionAVR поддерживает все базовые конструкции языка С, которые используются при написании программ (алфавит, константы, идентификаторы, комментарии) и разрешены архитектурой AVR, с некоторыми добавленными характеристиками, реализующими преимущество специфики архитектуры AVR. Применив специаль-

а

б

Рис. 1. Разделы библиотеки Optoelectronics программной среды Proteus: а) Alphanumeric LCDs; б) Graphical LCDs

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

САПР

проектирование

87

Рис. 2. Формирование изображения с помощью утилиты LCD Vision программы CodeVisionAVR и его отображение на экране графического дисплея в Proteus

ные директивы в любом месте программы, можно включить ассемблерный код, что позволяет напрямую обращаться к регистрам микроконтроллера. Формирование программного кода в CodeVisionAVR выполняют при помощи автоматического генератора CodeWizardAVR или вручную с нуля, используя синтаксис языка программирования С и функции стандартных библиотек программы для работы с буквенно-цифровыми LCD-модулями, шиной I2C, EEPROM DS2430 и DS2433, температурными датчиками (LM75 и DS1820/DS18S20), часами реального времени (PCF8563, PCF8583, DS1302, DS1307), протоколом 1‑Wire, SPI, USART, а также функции формирования задержек, управления питанием и преобразования кода Грея. Удобство применения генератора состоит в быстром получении кода выполнения функций инициализации микроконтроллера и его портов ввода/вывода, внешних прерываний, таймеров/счетчиков, сторожевого таймера, аналогового компаратора, интерфейсов USART и SPI, шин 1‑Wire и I2C, буквенно-цифровых и графических дисплеев, установки доступа к внешней памяти и т. д. Однако в процессе работы мастера формируется достаточно объемный код, который впоследствии приходится редактировать. Когда код пишется вручную для управления дисплеем (в зависимости от его типа), применяют функции библиотеки для работы с буквенно-цифровыми модулями, функции ввода/вывода информации на экран дисплея, строковые функции языка С или функции библиотеки для работы с графическими дисплеями. В программе имеются стандартные функции вывода информации на экран графического дисплея и утилита формирования программного кода изображения — LCD Vision (рис. 2). Рассмотрим применение функций управления дисплеями программы CodeVisionAVR на примере схемы термометра, где с помощью датчика DS18S20 и микроконтроллера ATmega16 проводится измерение температуры, обработка полученных данных программой инициализации и вывод анимации (в виде смены кадров или строки загрузки) и информационных сообщений на экран буквенно-цифрового и графического дисплеев. Кадры отображаемой на графическом дисплее анимированной заставки сформированы с помощью утилиты LCD Vision, а строка загрузки реализована последовательным заполнением знакомест первой строки экрана буквенно-цифрового дисплея (нумерация строк и столбцов начинается с нуля).

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

Проектирование схемы электрической принципиальной в Proteus Если написание программного кода управления электронной системой предполагается выполнить в CodeVisionAVR, то проект схемы электрической принципиальной, в котором присутствуют датчик температуры, микроконтроллер, буквенно-цифровой и графический дисплеи, в схемном редакторе создают без использования мастера [1] — при помощи кнопки Schematic Capture верхней панели инструментов стартового окна Proteus. Нажатие кнопки открывает новую одноименную вкладку, в рабочем поле которой и будет выполняться разработка схемы. Работу с LCD-дисплеями рассмотрим на примере микросхем AMPIRE128X64 (графический дисплей с разрешением экрана 12864 пикселя) и LM044L (буквенно-цифровой дисплей с разрешением экрана 20 символов на четыре строки). Микросхема AMPIRE128X64 работает под управлением контроллера KS0108, который принимает и обрабатывает команды управления и выводит соответствующую графику на дисплей. Контроллер KS0108 не имеет своего знакогенератора. В нашем примере его функции (вывод текста и графики), а также управление микросхемой выполнит программа микроконтроллера. Дисплей микросхемы AMPIRE128X64 разделен на два сегмента (левый и правый) шириной 64 пикселя каждый, доступ к которым выполняется при помощи линий CS1, CS2. Каждый сегмент представлен восемью страницами памяти размером 8 бит каждая. Микросхема AMPIRE128X64 имеет 18 контактов, назначение которых следующее: • GND — «земля»; • Vсс — напряжение питания +5 В; • V0 — напряжение контрастности 0…+5 В (настройка контрастности экрана); • RS — установка режима приема информации (RS = 1 данные, RS = 0 команды); • R/W — выбор операции чтения (R/W = 1) или записи (R/W = 0); • E — линия синхронизации; • DВ0–DВ7 — шина данных/команд; • –Vout — выход отрицательного напряжения; • CS1 — активация левого сегмента дисплея (CS1 = 0 сегмент активный, CS1 = 1 сегмент неактивный); www.kite.ru

проектирование

88

САПР

а

б

в

Рис. 3. Выбор в окне Pick Devices: а) датчика температуры DS18S20; б) резистора; в) микроконтроллера ATmega16

• CS2 — активация правого сегмента дисплея (CS2 = 0 сегмент активный, CS2 = 1 сегмент неактивный); • RST — сигнал сброса контроллера дисплея. Микросхема LM044L работает под управлением контроллера HD44780, который принимает и обрабатывает команды управления и выводит соответствующие символы на дисплей. Микросхема имеет 14 контактов следующего назначения: • Vss — GND; • Vdd — напряжение питания +5 В; • Vee — напряжение контрастности 0…+5 В (настройка контрастности отображаемых на дисплее символов); • RS — выбор регистра данных DR (RS = 1) или команд IR (RS = 0); • RW — выбор операции чтения (RW = 1) или записи (RW = 0); • E — линия синхронизации; • D0–D7 — шина данных/команд. Микросхема LM044L может работать в двух режимах: • 8‑разрядном (для обмена информацией используются выводы D0–D7); • 4‑разрядном (для обмена информацией используются выводы D4–D7).

В представленном примере вывод данных на экран дисплея разрешением 20 символов на четыре строки выполнен в 4‑разрядном режиме. Источник информации, отображаемой на дисплеях, — температурный датчик DS18S20 (высокоточный цифровой термометр с интерфейсом 1‑Wire). Датчик имеет три контакта, назначение которых следующее: • GND — «земля»; • DQ — линия данных; • VСС — напряжение питания +5 В. Создадим в Proteus новый проект и добавим в рабочее поле микросхему графического дисплея, для чего при помощи команды контекстного меню Place/Component/From Libraries редактора Schematic Capture откроем окно Pick Devices и выберем левой кнопкой мыши из раздела Graphical LCDs библиотеки Optoelectronics микросхему AMPIRE128X64. Нажмем на кнопку ОК (окно Pick Devices будет закрыто) и разместим микросхему в рабочей области проекта. Аналогичным образом добавим в рабочее поле проекта из раздела Temperature Sensors библиотеки Data Converters датчик температуры DS18S20 (рис. 3а), из раздела 0.6W Metal Film библиотеки Resistors резистор MINRES11K (рис. 3б), а затем микросхему буквенно-цифрового дисплея LM044L, которая находится в разделе Alphanumeric LCDs библиотеки Optoelectronics. Для тестирования работы LCDдисплеев будем использовать микроконтроллер, в качестве которого применим микросхему ATmega16 из раздела AVR Family библиотеки Microprocessor ICs (рис. 3в). Подсоединим выводы модуля графического дисплея DВ0–DВ7 к выводам PD0–PD7, выводы E, R/W и RS — к выводам PА2–PА4, а выводы RST, CS1 и CS2 — к выводам РА5–РА7 микроконтроллера ATmega16 так, как показано на рис. 4. Прием информации микросхемой AMPIRE128X64 выполняется по 8‑разрядной шине данных/команд. Подача управляющих сигналов через подключенные к портам микроконтроллера ATmega16 линии выполняется программно. Выбор линий портов микроконтроллера для подключения к указанным выводам дисплея производится разработчиком произвольно. Выводы GND и Vcc подключим к «земле» и напряжению +5 В соответственно. На вывод V0 подается напряжение контрастности (0…+5 В). На практике этот вывод подключают к питанию через подстроечный резистор, который позволяет плавно регулировать контрастность отображения символов на дисплее. Символы «земли» и питания добавляют в схему, выбрав на панели TERMINALS строки GROUND и POWER (рис. 5). Панель открывают нажатием кнопки Terminals Mode на левой панели схемного редактора.

Рис. 4. Сопряжение микроконтроллера ATmega16 с датчиком температуры и LCD-дисплеями в рабочей области редактора Schematic Capture

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

САПР

Рис. 5. Открытие с помощью кнопки Terminals Mode панели TERMINALS и выбор символа «земли»

В окне свойств графического дисплея (окно открывают двойным щелчком левой кнопки мыши после его выделения на схеме) в поле Advanced Properties из выпадающего списка выбирают пункт LCD Clock Frequency — тактовая частота (рис. 6а), значение которой должно совпадать с частотой работы микроконтроллера (в нашем примере 2 МГц), которую указывают в окне его свойств (рис. 6б). Для чего в поле Advanced Properties из выпадающего списка выбирают пункт Clock Frequency и определяют соответствующее ему значение (2 МГц). Также в окне свойств микроконтроллера установим следующие параметры: • поле CKOPT (Oscillator Options) — (1) Unprogrammed; • поле BOOTRST (Select Reset Vector) — (1) Unprogrammed; • поле CKSEL Fuses — (0010) Int.RC 2MHz; • поле Boot Loader Size — (00) 1024 words.

Starts at 0x1C00; • поле SUT Fuses — (01); • поле Program File — путь к .hex (или .cof) файлу на диске компьютера. Для подключения микросхемы LM044L к микроконтроллеру используется параллельная синхронная шина данных/команд (D0–D7), вывод выбора операции чтения/записи (RW), вывод выбора регистра данных/команд (RS) и вывод синхронизации (Е). Подсоединим выводы модуля дисплея D4–D7 к выводам PC4–PC7, а выводы RS, RW и E — к выводам PC0–PC2 микроконтроллера ATmega16 так, как показано на рис. 4. Выводы Vss и Vdd подключим к «земле» и напряжению +5 В соответственно. На вывод Vee подается напряжение контрастности (0…+5 В). В окне свойств дисплея LM044L в поле Advanced Properties из выпадающего списка выберем пункт Clock Frequency (тактовая частота) — рис. 6в, значение которой должно совпадать с частотой работы микроконтроллера (в нашем примере 2 МГц). Вывод GND датчика температуры подсоединим к символу «земли», а вывод VСС

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

проектирование

89

к символу питания (рис. 4). Вывод DQ подключим к выводу РВ0 микроконтроллера и символу питания через резистор R1. Сопротивление резистора (4k7) зададим в поле Resistance окна его настроек (рис. 6г), для открытия которого щелкнем дважды левой кнопкой мыши по его символу на схеме. Для работы с датчиком DS18S20 в окне его свойств (окно открывают выделением левой кнопкой мыши датчика на схеме, вызовом правой кнопкой мыши контекстного меню и выбором в нем команды Edit Properties) указывают следующие параметры (рис. 6д): • Current Value — текущее значение температуры (в нашем примере: 52,5 °C); • Granularity — точность измерения (0,5 °C); • Automatic Serialization — автоматическая сериализация (Yes). Температуру датчика также можно подстраивать и на схеме, для чего используют переключатели «↑» и «↓» на его пиктограмме. После создания схемы, подключения всех приборов и настройки их параметров переходят к следующему этапу разработки — написанию программного кода управления устройством в CodeVisionAVR. В результате его компиляции (при условии отсутствия в коде ошибок) на диске компьютера будет получен hex-файл, путь к которому указывают в окне свойств микроконтроллера в Proteus. Завершающим этапом работы в Proteus является запуск процесса моделирования схемы в редакторе Schematic Capture, который выполняют кнопкой Run the simulation, расположенной в левом нижнем углу окна редактора, или командой основного меню Debug/Run Simulation. В нашем примере после запуска моделирования на экране дисплеев отображаются анимированные заставки в виде индикатора загрузки (на буквенно-цифровом дисплее) и смены чисел (на графическом дисплее). Измерив температуру, микроконтроллер на основе полученных данных отправляет на экран дисплеев соответствующие информационные сообщения.

а

б

в

г

Формирование изображения с помощью утилиты LCD Vision Для создания на экране графического дисплея анимированной заставки в виде смены чисел сгенерируем код формирующих ее кадров, воспользовавшись утилитой LCD Vision программы CodeVisionAVR 3.12, запуск которой выполняется нажатием пиктограммы LCD Vision font and image editor/converter на панели инструментов Tools (панель открывают командой View/Toolbars/Tools основного меню). Утилита предназначена для создания изображений и экспорта их кода в виде массива данных в CodeVisionAVR. Изображения могут быть импортированы в LCD Vision из популярных графических форматов (таких как

д

Рис. 6. Окно свойств: а) графического дисплея; б) микроконтроллера; в) буквенно-цифрового дисплея; г) резистора; д) датчика температуры

www.kite.ru

90

проектирование

Рис. 7. Интерфейс утилиты LCD Vision и окно New Image

BMP, JPG, GIF, PNG, ICO, WMF, EMF) для последующей генерации их кода или созданы с нуля, для чего применяют команду основного меню утилиты File/New Image. В результате выполнения команды открывается окно New Image (рис. 7), в котором в меню Target LCD Controller из выпадающего списка выбирают целевой контроллер графического дисплея с нужными характеристиками (в нашем примере это тип контроллера, разрешение экрана, инверсия входов активации сегментов дисплея — KS0108 128x64 /CS1, /CS2), а в поле Image Size указывают размер изображения в пикселях (в нашем примере ширина изображения 128 пикселей, его высота — 64 пикселя) и нажимают кнопку OK.

САПР

Далее в LCD Vision в поле Image Zoom Factor выбирают масштаб окна рабочего поля (в нашем примере установим значение 300% для максимального приближения рисунка), в котором с помощью инструментов Set pixel (установить пиксель), Erase pixel (стереть пиксель), Fill area (заполнить область), Draw text (создать текстовую надпись), Draw line (нарисовать линию), Draw rectangle (нарисовать прямоугольник), Draw ellipse or circle (нарисовать окружность) панели Draw создают рисунок (рис. 8). Зажав левую клавишу мыши, отрисовывают изображение, генерируют его код нажатием пиктограммы Export панели инструментов File. Полученный код изображения хранится в переменной (по умолчанию new_image) в виде массива данных, элементы которого представлены в виде шестнадцатеричных чисел. Код отобразится в окне Export Preview, где в поле C identifier name можно изменить название переменной. Панели Draw и File открывают командой View/Toolbars/ основного меню. Предварительный просмотр изображения на экране дисплея выполняется на панели LCD Preview, которая по умолчанию расположена в левом верхнем углу утилиты. Теперь код изображения можно перенести в CodeVisionAVR и вставить в нужном месте программы (рис. 9). С помощью пиктограммы Save exported data панели File утилиты LCD Vision сгенерированный код можно сохранить на диск компьютера в виде файла с расширением *.c. Сложные рисунки в LCD Vision удобно импортировать, для чего применяют команду основного меню File/Import Image.

Рис. 8. Созданный с помощью инструмента Set pixel рисунок и его код в окне Export Preview утилиты LCD Vision

Для генерации кода фрагмента изображения используют ограничительную рамку (инструмент Select панели Draw). Импортируемое изображение не должно превышать разрешения экрана дисплея, иначе лишние пиксели будут автоматически обрезаны утилитой, что приведет к потере части рисунка. Используя инструменты панели Draw, импортированное в LCD Vision изображение можно отредактировать по своему усмотрению. Используя инструмент Draw text, создадим три изображения чисел 1, 2 и 3 и сгенерируем их код. Для этого на панели Draw нажмем на пиктограмму инструмента, а на панели его настроек выберем шрифт Times New Roman (поле Font), размер шрифта — 48 (поле Size), начертание шрифта — жирный (пиктограмма Set text characters to bold), текст надписи — 1 (поле Text). Полученное изображение можно перемещать с помощью зажатой левой клавиши мыши в окне рабочего поля LCD Vision (рис. 10а). Когда местоположение рисунка выбрано, для уменьшения объема генерируемого кода применяют ограничительную рамку. Для чего на панели Draw нажмем на пиктограмму Select и с помощью мыши выделим рисунок (рис. 10б). С помощью пиктограммы Export панели инструментов File сгенерируем код рисунка (рис. 10в). Аналогичным образом создадим изображения чисел 2 и 3 и сформируем их код (рис. 12), предварительно очистив рабочее поле с помощью инструмента Erase pixel (рис. 11). Размер инструмента (в нашем примере — 7 пикселей) выбирают в поле Size панели его свойств.

Рис. 9. Код изображения в окне кода CodeVisionAVR

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

САПР

а

проектирование

91

а

б

в б Рис. 10. Создание рисунка числа 1 и формирование его кода: а) настройка параметров шрифта и перемещение рисунка в рабочей области LCD Vision; б) ограничение рисунка рамкой; в) генерация кода рисунка

Рис. 11. Очистка с помощью инструмента Erase pixel рабочего поля LCD Vision от предварительно созданного изображения

Создание программного кода в CodeVisionAVR Применение CodeWizardAVR для формирования кода управления LCD-дисплеями Для формирования программного кода управления LCD-дисплеями воспользуемся генератором кода CodeWizardAVR, окно которого открывается после создания командой основного меню File/New/Project нового проекта в CodeVisionAVR. В окне CodeWizardAVR задают параметры микроконтроллера, его внутренних ресурсов

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

и используемых в схеме периферийных устройств. В нашем примере это тип и частота работы микроконтроллера (вкладка Chip Settings, рис. 13а), опции портов ввода/вывода микроконтроллера (вкладка Ports Settings, рис. 13б), графического дисплея (вкладка Graphic Display Settings, рис. 13в,г), буквенно-цифрового дисплея (вкладка Alphanumeric LCD Settings, рис. 13д). Важно, чтобы значение тактовой частоты микроконтроллера, указанное в поле Clock вкладки Chip Settings, совпадало со значением Clock Frequency в поле Advanced Properties его окна свойств в Proteus (в нашем примере это 2 МГц). На вкладке Ports Settings для каждого отдельного порта микроконтроллера отведена своя закладка, где в поле Direction щелчком левой кнопки мыши выбирают одно из значений битов порта: Out (линия порта работает на вывод данных), In (прием данных). В нашем примере (рис. 13б) для битов Bit 0– Bit 7 портов Port D, Port C и Port А укажем значение Out, для бита Bit 0 порта Port В — значение In. На вкладке Graphic Display Settings в поле Display Type задают характеристи-

Рис. 12. Создание рисунка и генерация кода числа: а) 2; б) 3

ки (разрешение экрана и инверсия входов активации сегментов дисплея) и тип контроллера графического дисплея (в нашем примере — KS0108 128x64 /CS1 /CS2). Применение внешней памяти для хранения изображения (чекбокс Use Image Storage in External Memory) задают установкой/снятием флажка (в нашем примере флажок снят). Параметры подключения микроконтроллера (порт и номер вывода) к микросхеме дисплея указывают на закладках: Data (подключение выводов данных/команд), Control (подключение выводов передачи управляющих сигналов). В нашем примере сигналы данных/команд передаются через порт PORTD (рис. 13в), а управляющие сигналы — через порт PORTА микроконтроллера (рис. 13г). На вкладке Alphanumeric LCD Settings (рис. 13д) задают разрешение поддержки буквенно-цифрового дисплея (поле Enable Alphanumeric LCD Support), тип контроллера (поле Controller Type, в нашем примере HD44780) и количество символов в строке (поле Character/Line, в нашем примере 20). В поле Connections настраивают параметры подключения микроконтроллера (порт www.kite.ru

92

проектирование

САПР

а

б

в

г

д

Рис. 13. Настройка в окне CodeWizardAVR параметров: а) микроконтроллера; б) портов ввода/вывода микроконтроллера; в) подключения выводов данных/команд графического дисплея к микроконтроллеру; г) подключения выводов управляющих сигналов графического дисплея к микроконтроллеру; д) буквенно-цифрового дисплея и подключения его выводов к микроконтроллеру

и номер вывода) к микросхеме дисплея, работающего в 4‑разрядном режиме, — в нашем примере 0, 1 и 2 биты порта PC микроконтроллера подключены к выводам RS, RW и E дисплея, 4–7 биты порта PC микроконтроллера подключены к выводам D4–D7 дисплея. Если предполагается, что буквенно-цифровой дисплей будет работать в 8‑разрядном режиме и написание кода программы управления будет вестись самостоятельно (так как стандартной библиотеки для этого режима в CodeVisionAVR нет), то поле Connections можно не заполнять. Предварительный просмотр кода программы, который генерируют командой Program/Generate основного меню, выполняют в поле Program Preview. После настройки параметров и генерации кода командой Program/Generate, Save and Exit основного меню или пиктограммой Generate program, save and exit верхней панели инструментов окно CodeWizardAVR автоматически будет закрыто. Полученный код отобразится в окне кода CodeVisionAVR, где и будет вестись дальнейшее написание программы. При этом автоматически сгенерированный код можно откорректировать на свое усмотрение. Прежде чем внести изменения в полученный код в CodeVisionAVR, увеличим размер стека. Для этого командой Project/Configure основного меню откроем окно Configure Project, перейдем на вкладку C Compiler, откроем закладку Code Generation и в поле Data Stack Size укажем размер стека в байтах — для компиляции кода в нашем примере значения 800 будет достаточно (рис. 14). Теперь напишем программу инициализации микроконтроллера, которая после запуска моделирования в Proteus выводит на экран дисплеев LCD1 и LCD2 анимированные заставки (в виде смены чисел 1, 2 и 3 — на экран графического дисплея, и в виде индикатора загрузки — на экран буквенно-цифрового дисплея) и непрерывно в цикле ведет опрос линии РВ0, к которой подключен вывод данных датчика температуры. На экран дисплеев выводится три типа информационных сообщений, оповещающих о том, что измеренная температура выше +50 °C, ниже –10 °C или находится в диапазоне –10…+50 °C. Применение функций библиотек alcd.h и glcd.h для формирования кода управления LCD-дисплеями Для работы с графическим дисплеем в CodeVisionAVR предусмотрена библиотека glcd.h, которая содержит функции вывода текстовой и графической информации на экран дисплея, среди которых: • glcd_outtext(char *str) — функция вывода текстовой строки в текущую позицию графического экрана. Параметр str — это указатель на переменную, в которой хранятся текстовые данные; • glcd_outtextxy(GLCDX_t x, GLCDY_t y, char *str) — функция вывода текстовой строки str, начиная с точки экрана с координатами х, у; • glcd_putchar(char c) — функция вывода одиночного символа c в текущую позицию экрана; • glcd_putcharxy(GLCDX_t x, GLCDY_t y, char c) — функция вывода одиночного символа c, начиная с точки экрана с координатами х, у; • glcd_clear() — функция очистки экрана и установки курсора в позицию 0, 0; • glcd_putimage(GLCDX_t left, GLCDY_t top, unsigned char *pimg, GLCDBLOCKMODE_t mode) — функция вывода на экран изображения, верхний левый угол которого будет размещен в точке с координатами left, top, где *pimg — указатель на переменную, в которой хранятся графические данные, mode — режим отображения изображения на экране. Значения аргумента mode: GLCD_ PUTCOPY — перезапись отображаемого на экране изображения, GLCD_PUTTP — перезапись отображаемого на экране изображения в прозрачном режиме, когда для отображения используется цвет фона, GLCD_PUTXOR — исключающее ИЛИ с уже имеющимся на экране изображением, GLCD_PUTOR — объединяющее ИЛИ с уже имеющимся на экране изображением, GLCD_PUTNOT — вывод изображения с инверсией, GLCD_PUTAND — логическое И с уже имеющимся на экране изображением;

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

САПР

Рис. 14. Окно Configure Project, закладка Code Generation вкладки C Compiler

• glcd_getimage(GLCDX_t left, GLCDY_t top, GLCDX_t width, GLCDY_t height, unsigned char *pimg) — функция копирования с экрана фрагмента изображения шириной width и высотой height, верхний левый угол которого размещен в точке с координатами left, top, где *pimg — указатель на переменную, в которой будут храниться скопированные графические данные; • glcd_setlinestyle(unsigned char thickness, unsigned char bit_pattern) — функция устанавливает стиль рисования линий на экране графического дисплея, где thickness — толщина линий в пикселях, bit_pattern — стиль линий. Значения аргумента bit_pattern: GLCD_LINE_SOLID — сплошная линия, GLCD_LINE_DOT_SMALL — точечная линия, GLCD_LINE_DOT_LARGE — жирная точечная линия; • glcd_setlinethick(unsigned char thickness) — функция устанавливает толщину линий thickness в пикселях; • glcd_line(GLCDX_t x0, GLCDY_t y0, GLCDX_t x1, GLCDY_t y1) — функция отрисовывает на экране линию, где х0, у0 — координаты ее начала, х1, у1 — координаты конца; • glcd_rectangle(GLCDX_t left, GLCDY_t top, GLCDX_t right, GLCDY_t bottom) — функция отрисовывает на экране прямоугольник, где left и top — координаты его левого верхнего угла, right и bottom — координаты правого нижнего угла; • glcd_rectround(GLCDX_t left, GLCDY_t top, GLCDDX_t width, GLCDDY_t height, GLCDRAD_t radius) — функция отрисовывает на экране прямоугольник, где left и top — координаты его левого верхнего угла, right и bottom — координаты правого нижнего угла, radius — радиус скругления углов прямоугольника;

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

• glcd_circle(GLCDX_t x, GLCDY_t y, GLCDRAD_t radius) — функция отрисовывает окружность, где х, у — координаты ее центра, radius — радиус окружности; • glcd_putpixel(GLCDX_t x, GLCDY_t y, GLCDCOL_t color) — функция закрашивает на экране пиксель цветом color с координатами х, у. Для монохромных дисплеев параметр color может принимать одно из двух значений: 0xffff (черный), 0х0000 (цвет фона экрана); • glcd_init() — инициализация графического дисплея. Для построения изображения на экране графического дисплея используется система координат. Отсчет начинается от верхнего левого угла экрана, который имеет координаты 0,0. Значение х увеличивается слева направо, значение y увеличивается сверху вниз. Для вывода изображения на экран дисплея его необходимо конвертировать в массив данных, для чего удобно применить утилиту LCD Vision. Утилиту используют для создания изображений и экспорта их кода в CodeVisionAVR. Для работы с буквенно-цифровым дисплеем в CodeVisionAVR предусмотрена библиотека alcd.h, которая содержит функции вывода символов на экран дисплея, среди которых: • void char lcd_init(unsigned char lcd_ columns) — инициализация буквенно-цифрового дисплея, очистка экрана и установка курсора в позицию 0,0. Параметр lcd_ columns — количество столбцов дисплея; • void lcd_clear(void) — очистка экрана и установка курсора в позицию 0, 0; • void lcd_gotoxy(unsigned char x, unsigned char y) — установка курсора в позицию x, y экрана, где x — это номер столбца, y — номер строки; • void lcd_putchar(char c) — вывод символа с на экран в текущую позицию курсора; • void lcd_puts(char *str) — функция выводит строку str, расположенную в SRAM, на экран, начиная с текущей позиции курсора; • void lcd_putsf(char f lash *str) — функция выводит строку str, расположенную во FLASH, на экран, начиная с текущей позиции курсора; • void lcd_putse(char eeprom *str) — функция выводит строку str, расположенную в EEPROM, на экран, начиная с текущей позиции курсора. Применение функций рассмотрим на примере вывода на экран графического и буквенно-цифрового дисплеев графических примитивов и текстовой информации, формирующих предупреждающие сообщения, оповещающие об изменении температуры. Текст программы: #include <mega16.h> // Подключение заголовочных файлов #include <alcd.h> // в которых содержатся #include <stdio.h> // прототипы функций #include <delay.h>

проектирование

93

#include <glcd.h> #include <font5x7rus.h> #include <math.h> #include <1wire.h> #include <stdlib.h> #include <ds1820.h> #asm .equ __w1_port=0x18 // Для связи через протокол 1-Wire используем .equ __w1_bit=0 // нулевой бит порта PB микроконтроллера #endasm // Функция отрисовки рамки на экране буквенно-цифрового дисплея void ramka(){ int i; lcd_clear( ); // Очистка экрана дисплея i=0; // Отрисуем верхнюю сторону рамки while( 1 ) // выполняем цикл, пока не будет достигнуто // условие i==20 (ширина рамки 20 знакомест) { i++; // устанавливаем курсор на следующую позицию нулевой строки экрана lcd_gotoxy( i-1,0 ); lcd_putchar( 0xff ); // выводим на экран символ заполненного знакоместа, // 0xff - код символа из таблицы кодов символов if( i==20 ){ break; } // выход из цикла while, если курсор достиг 19 столбца нулевой строки } delay_ms(40); // задержка 40 мс // Отрисуем левую боковую сторону рамки lcd_gotoxy( 0,1 ); lcd_putchar( 0xff ); lcd_gotoxy( 0,2 ); lcd_putchar( 0xff ); delay_ms(40); i=0; // Отрисуем нижнюю сторону рамки while( 1 ) // выполняем цикл, пока не будет достигнуто условие i==20 {i++; // устанавливаем курсор на следующую позицию третьей строки экрана lcd_gotoxy( i-1,3 ); lcd_putchar( 0xff ); // выводим на экран символ заполненного знакоместа 0xff if( i==20 ){ break; } // выход из цикла while, если курсор достиг 19 столбца третьей строки } delay_ms(40); // задержка 40 мс // Отрисуем правую боковую сторону рамки lcd_gotoxy( 19,1 ); lcd_putchar( 0xff ); lcd_gotoxy( 19,2 ); lcd_putchar( 0xff ); delay_ms(40); } void main(void) // Основная функция программы { char lcd_buffer[33]; // Объявление массива данных для вывода на экран дисплея int temp; // Переменная для хранения значения измеренной температуры unsigned char img[]= // Переменная для хранения сформированного // в LCD Vision кода изображения числа 1 { /* Image width: 22 pixels */ 0x16, 0x00, /* Image height: 44 pixels */ 0x2C, 0x00, #ifndef _GLCD_DATA_BYTEY_ /* Image data for monochrome displays organized as horizontal rows of bytes */ 0x00, 0xC0, 0x00, 0x00, 0xF0, 0x00, 0x00, 0xFC, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0xE0, 0xFF, 0x00, 0xF8, 0xFF, 0x00, 0xFE, 0xFF, 0x00, 0xFF, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x00, 0xC0, 0xFF, 0x01, 0xE0, 0xFF, 0x03, 0xFF, 0xFF, 0x3F, #else /* Image data for monochrome displays organized as rows of vertical bytes */ 0x80, 0xC0, 0xC0, 0xE0, 0xE0, 0xF0, 0xF0, 0xF8, 0xF8, 0xF8, 0xFC, 0xFC, 0xFE, 0xFE, 0xFF, 0xFF, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x00, 0x00,

www.kite.ru

94

проектирование

0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x08, 0x08, 0x08, 0x08, 0x08, 0x0C, 0x0E, 0x0F, 0x0F, 0x0F, 0x0F, 0x0F, 0x0F, 0x0F, 0x0F, 0x0F, 0x0E, 0x0C, 0x08, 0x08, 0x08, 0x08, #endif }; unsigned char img2[]= // Переменная для хранения сформированного // в LCD Vision кода изображения числа 2 { /* Image width: 27 pixels */ 0x1B, 0x00, /* Image height: 44 pixels */ 0x2C, 0x00, #ifndef _GLCD_DATA_BYTEY_ /* Image data for monochrome displays organized as horizontal rows of bytes */ 0x00, 0xFE, 0x01, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x07, 0x00, 0xE0, 0xFF, 0x1F, 0x00, 0xF0, 0xFF, 0x3F, 0x00, 0xF8, 0xFF, 0x7F, 0x00, 0xF8, 0xFF, 0x7F, 0x00, 0xFC, 0xFF, 0xFF, 0x00, 0x3E, 0xF8, 0xFF, 0x00, 0x0E, 0xE0, 0xFF, 0x01, 0x06, 0xC0, 0xFF, 0x01, 0x03, 0x80, 0xFF, 0x01, 0x01, 0x80, 0xFF, 0x01, 0x00, 0x00, 0xFF, 0x01, 0x00, 0x00, 0xFF, 0x01, 0x00, 0x00, 0xFF, 0x01, 0x00, 0x00, 0xFF, 0x00, 0x00, 0x00, 0xFF, 0x00, 0x00, 0x00, 0xFF, 0x00, 0x00, 0x00, 0x7F, 0x00, 0x00, 0x80, 0x7F, 0x00, 0x00, 0x80, 0x3F, 0x00, 0x00, 0x80, 0x1F, 0x00, 0x00, 0xC0, 0x1F, 0x00, 0x00, 0xC0, 0x0F, 0x00, 0x00, 0xE0, 0x07, 0x00, 0x00, 0xE0, 0x07, 0x00, 0x00, 0xF0, 0x03, 0x00, 0x00, 0xF0, 0x01, 0x00, 0x00, 0xF8, 0x00, 0x00, 0x00, 0x7C, 0x00, 0x00, 0x00, 0x3E, 0x00, 0x00, 0x00, 0x1E, 0x00, 0x00, 0x00, 0x0F, 0x00, 0x04, 0x80, 0x07, 0x00, 0x06, 0xC0, 0x03, 0x00, 0x03, 0xC0, 0x01, 0x80, 0x03, 0xE0, 0xFF, 0xFF, 0x03, 0xF0, 0xFF, 0xFF, 0x03, 0xF8, 0xFF, 0xFF, 0x03, 0xFC, 0xFF, 0xFF, 0x01, 0xFE, 0xFF, 0xFF, 0x01, 0xFE, 0xFF, 0xFF, 0x01, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x01, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x01, #else /* Image data for monochrome displays organized as rows of vertical bytes */ 0x00, 0x80, 0xC0, 0xF0, 0xF8, 0xFC, 0x7C, 0x7E, 0x7E, 0x7F, 0x7F, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFE, 0xFE, 0xFC, 0xFC, 0xF8, 0xF0, 0xC0, 0x00, 0x00, 0x00, 0x0C, 0x07, 0x03, 0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x01, 0x03, 0x0F, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x7F, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0xC0, 0xF8, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x7F, 0x1F, 0x0F, 0x03, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0xC0, 0xE0, 0xF0, 0xFC, 0x7F, 0x3F, 0x1F, 0x0F, 0x07, 0x03, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x80, 0xC0, 0xE0, 0xF0, 0xFC, 0xFE, 0xFF, 0xF7, 0xF3, 0xF1, 0xF0, 0xF0, 0xF0, 0xF0, 0xF0, 0xF0, 0xF0, 0xF0, 0xF0, 0xF0, 0xF0, 0xF8, 0xFC, 0x7E, 0x03, 0x0C, 0x0F, 0x0F, 0x0F, 0x0F, 0x0F, 0x0F, 0x0F, 0x0F, 0x0F, 0x0F, 0x0F, 0x0F, 0x0F, 0x0F, 0x0F, 0x0F, 0x0F, 0x0F, 0x0F, 0x0F, 0x0F, 0x0F, 0x0F, 0x0F, 0x00, 0x00, #endif }; unsigned char img3[]= // Переменная для хранения сформированного // в LCD Vision кода изображения числа 3 { /* Image width: 27 pixels */ 0x1B, 0x00, /* Image height: 45 pixels */ 0x2D, 0x00, #ifndef _GLCD_DATA_BYTEY_ /* Image data for monochrome displays organized as horizontal rows of bytes */ 0x00, 0xFC, 0x03, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x1F, 0x00, 0xC0, 0xFF, 0x3F, 0x00, 0xF0, 0xFF, 0x7F, 0x00, 0xF8, 0xFF, 0xFF, 0x00, 0x3C, 0xF0, 0xFF, 0x00, 0x0C, 0xC0, 0xFF, 0x01, 0x06, 0x80, 0xFF, 0x01, 0x03, 0x80, 0xFF, 0x01, 0x00, 0x00, 0xFF, 0x01, 0x00, 0x00, 0xFF, 0x01, 0x00, 0x00, 0xFF, 0x00, 0x00, 0x00, 0xFF, 0x00, 0x00, 0x00, 0x7F, 0x00, 0x00, 0x80, 0x1F, 0x00, 0x00, 0x80, 0x0F, 0x00, 0x00, 0xC0, 0x07, 0x00, 0x00, 0xE0, 0x1F, 0x00, 0x00, 0xF8, 0x3F, 0x00, 0x00, 0xFE, 0xFF, 0x00, 0x80, 0xFF, 0xFF, 0x00, 0x00, 0xFE, 0xFF, 0x01, 0x00, 0xF8, 0xFF, 0x03, 0x00, 0xE0, 0xFF, 0x03, 0x00, 0xC0, 0xFF, 0x07, 0x00, 0x80, 0xFF, 0x07,

САПР

0x00, 0x00, 0xFF, 0x07, 0x00, 0x00, 0xFF, 0x07, 0x00, 0x00, 0xFE, 0x07, 0x00, 0x00, 0xFE, 0x07, 0x00, 0x00, 0xFC, 0x07, 0x00, 0x00, 0xFC, 0x07, 0x00, 0x00, 0xFC, 0x03, 0x00, 0x00, 0xFC, 0x03, 0x0E, 0x00, 0xFC, 0x03, 0x1F, 0x00, 0xFC, 0x01, 0x3F, 0x00, 0xFE, 0x01, 0xFF, 0x00, 0xFE, 0x00, 0xFF, 0x01, 0x7F, 0x00, 0xFF, 0x83, 0x7F, 0x00, 0xFF, 0xFF, 0x3F, 0x00, 0xFF, 0xFF, 0x0F, 0x00, 0xFE, 0xFF, 0x07, 0x00, 0xFC, 0xFF, 0x01, 0x00, 0xF0, 0x3F, 0x00, 0x00, #else /* Image data for monochrome displays organized as rows of vertical bytes */ 0x00, 0x80, 0xE0, 0x70, 0x38, 0x38, 0x1C, 0x1E, 0x1E, 0x1E, 0x1F, 0x1F, 0x3F, 0x3F, 0x7F, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFE, 0xFE, 0xFE, 0xFC, 0xF8, 0xF0, 0xC0, 0x00, 0x00, 0x01, 0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0xC1, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x7F, 0x3F, 0x3F, 0x1F, 0x07, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x10, 0x10, 0x38, 0x38, 0x7C, 0x7C, 0xFE, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFE, 0xFE, 0xFC, 0xF8, 0xF8, 0xE0, 0xC0, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x01, 0x03, 0x0F, 0x3F, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xF8, 0xFC, 0xFC, 0xFC, 0xF8, 0xF0, 0xE0, 0xE0, 0xC0, 0x80, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x80, 0xC0, 0xF0, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x3F, 0x1F, 0x07, 0x00, 0x03, 0x07, 0x0F, 0x0F, 0x1F, 0x1F, 0x1F, 0x1F, 0x1F, 0x1F, 0x1F, 0x1F, 0x1F, 0x1F, 0x0F, 0x0F, 0x0F, 0x07, 0x07, 0x03, 0x01, 0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, #endif }; int i; GLCDINIT_t glcd_init_data; // Переменная для хранения данных контроллера графического дисплея // Инициализация портов микроконтроллера // Port D, Port C, Port A DDRD=DDRC=DDRA=0xff; PORTD=PORTC=PORTA=0x00; w1_init(); // Инициализация устройств на шине 1-Wire lcd_init(20); // Инициализация буквенно-цифрового дисплея #asm("sei") glcd_init_data.font=font5x7; // Определение шрифта графического дисплея glcd_init(&glcd_init_data); // Инициализация графического дисплея // Формирование заставки на экране графического дисплея glcd_clear(); // очистка экрана графического дисплея и установка курсора в позицию 0, 0 glcd_setlinethick(2); // установка толщины линии рисования 2 пикселя glcd_circle(64,32,31); // отрисовка окружности радиусом 31 пиксель glcd_putimage(53,10,img,GLCD_PUTCOPY); // Вывод изображения, код которого указан в переменной img, // на экран графического дисплея с позиции х 53, y 10 delay_ms(450); // задержка 450 мс glcd_putimage(53,10,img,GLCD_PUTXOR); // Стираем изображение delay_ms(450); glcd_putimage(51,10,img2,GLCD_PUTCOPY); // Вывод изображения, код которого указан в переменной img2, // на экран графического дисплея с позиции х 51, y 10 delay_ms(450); // задержка 450 мс glcd_putimage(51,10,img2,GLCD_PUTXOR); // Стираем изображение delay_ms(450); glcd_putimage(51,10,img3,GLCD_PUTCOPY); // Вывод изображения, код которого указан в переменной img3, // на экран графического дисплея с позиции х 51, y 10 delay_ms(450); // задержка 450 мс // Формирование заставки на экране буквенно-цифрового дисплея lcd_clear( ); // очистка экрана дисплея lcd_gotoxy( 3,0 ); // выбор позиции курсора (3 столбец, 0 строка) lcd_putsf( "Initialization" ); // вывод строки, начиная с текущей позиции курсора i=0; while( 1 ) // выполняем цикл, пока не будет достигнуто условие i==20 { delay_ms( 500 ); // задержка 500 мс i++; // устанавливаем курсор на следующую позицию первой строки экрана lcd_gotoxy( i-1,1 ); lcd_putchar( 0xff ); // выводим на экран символ заполненного знакоместа, // 0xff — код символа из таблицы кодов символов if( i==20 ){ break; } // выход из цикла while, если курсор достиг 19 столбца первой строки }

// Бесконечный цикл, в котором выполняется опрос датчика температуры while(1) { temp=ds1820_temperature_10(0); // измеряем температуру if ((temp/10)>50) // если температура больше +50 градусов { // Вывод информационного сообщения об измеренной температуре на экран графического дисплея glcd_clear(); // очистим экран графического дисплея и установим курсор в позицию 0, 0 glcd_setlinestyle(6,GLCD_LINE_DOT_LARGE); // Установка стиля рисования линий на графическом дисплее — жирная точечная линия толщиной 6 пикселей glcd_rectangle(0,0,128,64); // Отрисовка прямоугольной рамки 0,0 — координаты ее верхнего левого угла, 128,64 — координаты нижнего правого угла sprintf(lcd_buffer,"+%i.%u C",temp/10,abs(temp%10)); // Запись полученного значения температуры и дополнительного текста в массив lcd_buffer glcd_outtextxy(30,20,"ТЕМПЕРАТУРА"); // вывод строки, начиная с точки экрана с координатами x 30, y 20 glcd_outtextxy(40,31,"ДОСТИГЛА"); // вывод строки, начиная с точки экрана с координатами x 40, y 31 glcd_outtextxy(44,42,lcd_buffer); // вывод данных из массива lcd_buffer на экран дисплея glcd_setlinethick(1); // установка толщины рисования линии 1 пиксель glcd_circle(76,44,1); // отрисуем значок "градус" (окружность радиусом 1 пиксель) glcd_setlinestyle(4, GLCD_LINE_SOLID); // Установка стиля рисования линий на графическом дисплее — сплошная линия толщиной 4 пикселя glcd_line(23, 20, 23, 40); // отрисуем восклицательный знак glcd_line(23, 43, 23, 48); delay_ms(600); // задержка 600 мс // сформируем на экране еще одну рамку for (i=20; i<108; i++) // ширина которой 88 пикселей { glcd_putpixel(i,14,0xffff); // отрисуем верхнюю сторону рамки черным цветом glcd_putpixel(i,54,0xffff); // отрисуем нижнюю сторону рамки i=i+2;} // закрашиваем каждый второй пиксель верхней и нижней сторон рамки for (i=14; i<54; i++) // высота рамки 40 пикселей { glcd_putpixel(16,i,0xffff); // отрисуем левую сторону рамки черным цветом glcd_putpixel(108,i,0xffff); // отрисуем правую сторону рамки i=i+2; } // закрашиваем каждый второй пиксель боковых сторон рамки delay_ms(40); // задержка 40 мс // Вывод информационного сообщения об измеренной температуре // на экран буквенно-цифрового дисплея ramka(); // Сформируем на экране рамку delay_ms(40); // Сформируем сообщение sprintf(lcd_buffer,"WARNING!"); // Запись строки в массив lcd_buffer lcd_gotoxy( 7,1 ); // Выбор позиции курсора для вывода сообщения lcd_puts(lcd_buffer); // Вывод сообщения на экран delay_ms(40); // Задержка 40 мс sprintf(lcd_buffer,"t=+%i.%u C",temp/10,abs(temp%10)); // Запись полученного значения температуры и дополнительного текста в массив lcd_buffer lcd_gotoxy( 6,2 ); // Выбор позиции курсора для вывода измеренной температуры на экран lcd_puts(lcd_buffer); // Вывод данных из массива lcd_buffer на экран дисплея delay_ms(40); } else // иначе if ((temp/10)<=(–10)) // если температура меньше или равна –10 градусов { // Вывод на экран графического дисплея информационного сообщения о том, что температура достигла критического минимума glcd_clear(); // Очистка экрана графического дисплея glcd_setlinestyle(6,GLCD_LINE_SOLID); // Установка стиля рисования линий на графическом дисплее — сплошная линия толщиной 6 пикселей glcd_rectangle(0,0,128,64); // Отрисовка прямоугольной рамки glcd_outtextxy(38,20,"ВНИМАНИЕ!"); // вывод строки, начиная с точки экрана с координатами x 38, y 20 glcd_outtextxy(30,31,"ТЕМПЕРАТУРА"); // вывод строки, начиная с точки экрана с координатами x 30, y 31 sprintf(lcd_buffer,"%i.%u C ",temp/10,abs(temp%10)); // Запись полученного значения температуры и дополнительного текста в массив lcd_buffer glcd_outtextxy(43,42,lcd_buffer); // вывод данных из массива lcd_buffer на экран дисплея glcd_setlinethick(1); // установка толщины рисования линии 1 пиксель glcd_circle(76,44,1); // отрисуем значок "градус" (окружность радиусом 1 пиксель) delay_ms(40); // задержка 40 мс // Вывод предупреждающего сообщения и измеренной температуры на экран буквенно-цифрового дисплея ramka(); // Сформируем на экране рамку delay_ms(40);

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

САПР

проектирование

95

а

б

Рис. 15. Результат компиляции программного кода в CodeVisionAVR

в

Рис. 16. Результат работы программы управления дисплеями в Proteus

sprintf(lcd_buffer,"Danger!!!"); // Запись строки в массив lcd_buffer lcd_gotoxy( 7,1 ); // Выбор позиции курсора для вывода сообщения lcd_puts(lcd_buffer); // Вывод сообщения на экран delay_ms(40); // Задержка 40 мс sprintf(lcd_buffer,"t=%i.%u C",temp/10,abs(temp%10)); // Запись полученного значения температуры и дополнительного текста в массив lcd_buffer lcd_gotoxy( 6,2 ); // Выбор позиции курсора для вывода измеренной температуры на экран lcd_puts(lcd_buffer); // Вывод данных из массива lcd_buffer на экран дисплея delay_ms(40);} else // иначе if (((temp/10)>(–10))&&((temp/10)<50)) // если температура выше –10 и ниже +50 градусов { // Вывод информационного сообщения на экран графического дисплея glcd_clear(); // Очистка дисплея glcd_setlinestyle(6,GLCD_LINE_SOLID); // Установка стиля рисования линий на графическом дисплее — сплошная линия толщиной 6 пикселей glcd_rectangle(0,0,128,64); // Отрисовка прямоугольной рамки glcd_outtextxy(30,20,"ТЕМПЕРАТУРА"); // вывод строки, начиная с точки экрана с координатами x 30, y 20 glcd_outtextxy(16,32,"В ПРЕДЕЛАX НОРМЫI"); // вывод строки начиная с точки экрана с координатами x 16, y 32

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

delay_ms(40); // Вывод сообщения об измеренной температуре на экран буквенно-цифрового дисплея lcd_clear( ); // Очистка экрана дисплея sprintf(lcd_buffer,"t=%i.%u C",temp/10,abs(temp%10)); // Запись полученного значения температуры и дополнительного текста в массив lcd_buffer lcd_gotoxy( 6,2 ); // Выбор позиции курсора для вывода измеренной температуры на экран lcd_puts(lcd_buffer); // Вывод данных из массива lcd_buffer на экран дисплея delay_ms(40); i=7; while( 1 ) // формирование линии подчеркивания на экране дисплея { i++; // устанавливаем курсор на следующую позицию третьей строки экрана lcd_gotoxy( i-1,3 ); lcd_putchar( 0x2d ); // выводим на экран символ подчеркивания, // 0x2d — код символа из таблицы кодов символов if( i==13 ){ break; } // выход из цикла while, если курсор достиг 12 столбца третьей строки } delay_ms(40); } }}

Рис. 17. Смена кадров анимированной заставки на экране графического дисплея: а) кадр 1; б) кадр 2; в) кадр 3

Введем текст программы в окне кода CodeVisionAVR и запустим командой основного меню Project/Build All компиляцию, по окончании которой выдается отчет о наличии ошибок в коде программы (рис. 15). Если ошибки не обнаружены, на диске компьютера будет создан исполняемый файл для записи в микроконтроллер. Теперь перейдем в Proteus и в окне свойств микросхемы ATmega16 укажем путь к файлу прошивки на диске компьютера (в нашем примере к файлу с расширением .cof). Командой основного меню Debug/Run Simulation запустим симуляцию собранной схемы, результат которой представлен на рис. 16, и проанализируем ее работу. После запуска моделирования программа микроконтроллера выполняет инициализацию буквенно-цифрового (функция www.kite.ru

проектирование

96

САПР

а а

б

б

Рис. 18. Приближенный вид буквенно-цифрового дисплея, на экране которого отображается анимированная заставка индикатора загрузки. Вывод на экран: а) четырех; б) 14 символов заполненного знакоместа

lcd_init(20)) и графического дисплеев (функция glcd_init(&glcd_ init_data)) и определение шрифта вывода текста (glcd_init_data. font=font5x7) на экран графического дисплея. Затем выполняется формирование анимированной заставки на экране графического дисплея в виде смены кадров изображений (рис. 17), созданных с помощью утилиты LCD Vision. Для чего применена функция glcd_putimage с параметром GLCD_PUTCOPY (перезапись отображаемого на экране изображения) и GLCD_ PUTXOR (исключающее ИЛИ с уже имеющимся на экране изображением). Смена изображений происходит внутри окружности, сформированной с помощью функций glcd_setlinethick (установка толщины линии рисования) и glcd_circle (отрисовка окружности с заданным радиусом). Код изображения хранится в переменных img, img2, img3. На экране буквенно-цифрового дисплея отображается заставка в виде индикатора загрузки (рис. 18). Формирование индикатора осуществляется последовательным заполнением первой строки экрана дисплея в позициях 0–19 символами █ — заполненное знакоместо (шестнадцатеричный код такого символа — 0xff). В нулевой строке экрана отображается надпись Initialization, вывод которой осуществляется с помощью функций lcd_gotoxy (выбор позиции курсора на экране) и lcd_putsf (вывод строки, начиная с текущей позиции курсора). Далее происходит запуск цикла while(1), в котором с помощью функции ds1820_temperature_10(0) измеряется температура, запись которой выполняется в переменную temp. Температура выражена в °C и умножена на 10. В цикле обрабатываются три условия: ((temp/10)>50), ((temp/10)<=(–10)), (((temp/10)>(–10))& &((temp/10)<50)). Для каждого из них выполняется подпрограмма формирования оповещающих сообщений, которые отображаются на экране дисплеев. Если истинно первое условие (температура больше +50 °C), на экране буквенно-цифрового дисплея отобразится рамка, сформированная символами заполненного знакоместа, информационное сообщение и значение измеренной температуры (рис. 19а). Команды формирования рамки собраны в отдельной функции

в Рис. 19. Приближенный вид лицевой панели датчика температуры и буквенно-цифрового дисплея, когда измеренная температура: а) выше +50 °C; б) ниже –10 °C; в) находится в диапазоне –10…+50 °C

ramka(), чья инициализация выполнена в начале программы. На экран графического дисплея выводится значение температуры, прямоугольная рамка, отрисованная жирными точечными линиями, и выделенная пунктирными линиями текстовая надпись, сообщающая о том, что температура превысила критическое значение (рис. 20а). Если температура опускается ниже –10 °C (истинно второе условие), то на экран выводится ее значение, надпись, оповещающая о том, что температура достигла критического минимума, и прямоугольные рамки, одна из которых сформирована с помощью символов заполненного знакоместа (рис. 19б), а вторая отрисована сплошными жирными линиями (рис. 20б). Когда измеренная температура находится в диапазоне –10…+50 °C (истинно третье условие), на экране буквенно-цифрового дисплея отображается ее значение, выделенное символами подчеркивания (рис. 19в), шестнадцатеричный код которых — 0x2d. На экран графического дисплея выводится информационное сообщение «ТЕМПЕРАТУРА В ПРЕДЕЛАХ НОРМЫ» (рис. 20в). При написании кода управления буквенно-цифровым модулем необходимо учитывать, что большинство операций, реализуемых контроллером HD44780, занимает значительное время, около 40 мкс, а время выполнения некоторых доходит до единиц миллисекунд. Поэтому в программе совершению любой операции должны предшествовать команды задержки. В нашем примере задержка организована с помощью функции delay_ms(), где в скобках указывается время задержки в мс. Таким образом, как мы уже могли убедиться, инструменты программы CodeVisionAVR расширяют возможности и облегчают написание кода управления микроконтроллером.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

САПР

а

б

проектирование

97

в

Рис. 20. Приближенный вид лицевой панели датчика температуры и графического дисплея, когда измеренная температура: а) выше +50 °C; б) ниже –10 °C; в) находится в диапазоне –10…+50 °C

Литература 1. Филатов М. Работа с микроконтроллерами AVR в программной среде Proteus 8.1 // Компоненты и технологии. 2015. № 11.

2. Филатов М. Работа с микроконтроллерами AVR в программной среде Proteus 8.1. Часть 2 // Компоненты и технологии. 2015. № 12.

3. Филатов М. Проектирование схем электрических принципиальных с использованием LCDдисплеев и светодиодных матриц в программной среде Proteus 8.1. Часть 1 // Компоненты и технологии. 2017. № 4.

новости

4. Филатов М. Проектирование схем электрических принципиальных с использованием LCDдисплеев и светодиодных матриц в программной среде Proteus 8.1. Часть 2 // Компоненты и технологии. 2017. № 5.

5. ISIS Help. Labcenter Electronics, 2014.

6. CodeVisionAVR Help. HP InfoTech, 2014.

7. HD44780U (LCD-II) (Dot Matrix Liquid Crystal Display Controller/Driver). Hitachi, Ltd. 1998.

8. Евстифеев А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega. Руководство пользователя. М.: Додэка-XXI, 2007.

9. Филатов М. Автоматизированное проектирование электронных устройств при помощи специализированного пакета Proteus 8.1 // Компоненты и технологии. 2015. № 3.

10. Proteus VSM Help. Labcenter Electronics, 2020.

11. Хартов В. Я. Микроконтроллеры AVR. Практикум для начинающих. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007.

12. Колесникова Т. Проектирование схем микроэлектронных устройств с использованием датчиков температуры в Proteus // Компоненты и технологии. 2021. № 9.

разъемы

Розетка ODU MEDI-SNAP — экономичное решение для электрохирургии Компания ODU (Мюльдорф-на-Инне, Бавария) анонсировала запуск в производство 34‑контактной розетки однократного применения серии MEDI-SNAP. Обычно после операций с использованием электроинструмента утилизируют кабельную вилку в сборе с кабелем. Компания ODU предлагает экономичную альтернативу — утилизации подлежит катетер с неразборной розеткой. Компактный разъем с обратной полярностью (диаметр 18 мм) стыкуется с любыми вилками с защелкой Push-Pull типоразмера 2. Неразборная розетка из PSU выдерживает любые методы стерилизации и гарантирует защиту персонала и пациента по IEC 60601-1 (2 MOOP/1 MOPP). Номинальный ток 1,6 А обеспечивают 34 контакта диаметром 0,5 мм для печатного монтажа. Новинка с уровнем защиты IP50 рассчитана на 25 циклов соединений. Разъемы разработаны для таких применений, как катетеры, электрохирургические инструменты, эндоскопы, лапароскопы и абляционные устройства. www.odu.ru

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

www.kite.ru

98

технологии

Термоинтерфейсы от Würth Elektronik: упрощение отвода тепла и путь к повышению надежности оборудования

Владимир Рентюк Rvk.modul@gmail.com

Введение Для того чтобы найти оптимальные пути решения проблемы, необходимо поступить так, как это делает опытный врач: понять проблему, изучить ее, определить пути ее развития, возможные последствия и предложить оптимальное лечение в виде того или иного технического решения, своеобразного лекарства. При этом не забываем, что нужно лечить не болезнь, а больного, то есть подобрать оптимальное решение проблемы для конкретного изделия. Корень проблемы кроется в том, что любое электронное устройство (далее — компонент), обеспечивающее гальваническую развязку или изоляцию (трансформаторы, оптроны), преобразующее энергию (источники питания, транзисторы) или использующее ее для своего функционирования (усилители, драйверы, процессоры ПЛИС и т. п.), при определенных условиях генерирует избыток тепла, которое не может быть рассеяно естественным путем. В молодые годы автор статьи подрабатывал в отделе надежности одного весьма известного в СССР конструкторского бюро, специализирующегося на разработке бытовой аппаратуры, и стал свидетелем поучительного случая. Учитывая большой опыт этого бюро, ему было оказано «высокое доверие» — разработать профильное изделие, но… для работы в космосе, непосредственно для наших космонавтов. Изделие было

При разработке радиоэлектронной аппаратуры или электротехнического оборудования перед разработчиком часто возникает проблема — как в заданных габаритах организовать отвод генерируемого силовыми компонентами тепла. Проблема здесь заключается в том, что нагрев даже одного компонента снижает надежность конечного изделия, а перегрев ведет к отказу. Трудность заключается в том, что плата и компоненты могут иметь сложный профиль, соответственно путь отвода тепла тоже может быть сложным, а само устройство заключено в ограниченном объеме. Помочь в устранении проблемы, оптимизировав и упростив конструктивное решение теплоотвода, могут теплопроводящие и рассеивающие тепло решения, предлагаемые компанией Würth Elektronik.

ударными темпами спроектировано и изготовлено. Естественно, в нем использовались компоненты с приемкой 9, соответствующей была и его конструкция. Изделие было испытано на всякие воздействия (вибрация, удары и пр.), но на Земле. Государственная комиссия изделие приняла, и оно отправилось на орбиту, где проработало всего пару часов. Когда изделие вернули, то увидели в нем массу отказавших компонентов, даже резисторов, чего вроде бы и быть не могло — все они были выбраны с запасом и имели минимальные коэффициенты нагрузки. Их

убило собственное мизерное выделяемое тепло, которое, поскольку естественной конвекции воздуха в прочном металлическом корпусе в условиях невесомости не было, аккумулировалось вокруг них. Следующее изделие уже имело систему принудительного охлаждения. Описанный случай анекдотический, но что мы имеем в нашей реальной, земной практике? В общем, то же самое. Если взять некое отвлеченное устройство, то в нем при прохождении тока через элементы, вследствие наличия неизбежных потерь, мы бу-

Рис. 1. Математическая модель, иллюстрирующая причину увеличения температуры компонента

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

технологии

дем иметь источник или источники тепла. По закону Джоуля — Ленца, это как минимум потери проводимости, к которым могут добавиться и коммутационные потери, связанные с характеристиками используемых компонентов (транзисторов) и режимами их работы. Поскольку компоненты имеют ограничения по максимальной рабочей температуре, то выделяемое ими тепло нужно удалить. Причем иногда даже в случае, когда это тепло не приводит к критическому росту температуры, чреватому отказом из-за недопустимого перегрева. Почему? Как известно, надежность изделия без резервирования рассматривается как последовательность элементов, и ее можно охарактеризовать интенсивностью отказов системы, сведенной к эквивалентному элементу с интенсивностью отказов, равной lо. В этом случае мы имеем:

где li — интенсивность отказов i‑го элемента; n — общее количество последовательных элементов. В современных спецификациях параметр надежности элемента, который не поддается ремонту, будет представлен не интенсивностью отказов li, а его наработкой до отказа, то есть наработкой от начала эксплуатации до возникновения его отказа — MTTF (Mean (operating) time to failures — среднее время до отказа). Параметры li и MTTF = Ti взаимосвязаны — Ti = 1/li, то есть, чтобы наше изделие имело запланированный срок службы, необходимо обеспечить заданное Ti для каждого элемента. Здесь мало выбрать просто «надежный» компонент, поскольку далее в действие вступает закон из области химии, а именно закон (или уравнение) Аррениуса, устанавливающий зависимость константы скорости k протекания химической реакции от роста температуры ΔT. В нашем случае оно определяет скорость старения изоляции, деградации электролитических конденсаторов, транзистора, микросхемы и т. д., что ведет к увеличению тока утечки, пробою или иному нарушению функционирования, то есть к отказу. Время безотказной работы (срок службы) элемента Ti = tLIFE с учетом влияния температуры, согласно теории надежности (для простоты рассмотрим без учета эксплуатационных характеристик), определяется как:

где TA — температура окружающей среды; ΔT — добавочная температура, которая является следствием генерации тепла; TRATED — допустимая рабочая температура элемента в условиях окружающей среды; tRATED — MTTF элемента согласно его спецификации.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

99

Рис. 2. Пример установки чипа GBT в собранный субблок IGBT-модуля компании CRRC [2]

Рис. 3. а) Практические примеры, показывающие влияние термоинтерфейса; б) пояснение теплопроводности и теплового сопротивления (термоинтерфейс показан горизонтальным красным разделом, а нагретая часть — стрелками, которые переходят в холодную зону с изменением цвета с красного на синий) Примечание. Теплопроводность (Вт/м·К) определяет общую эффективность теплопередачи между контактными поверхностями. Тепловое сопротивление (°C/Вт) — это сопротивление материала передаче тепла, чем ниже тепловое сопротивление, тем эффективнее TIM. Данное свойство обратно пропорционально теплопроводности.

Как можно видеть, при снижении температуры всего на 10 °C надежность электронных устройств увеличивается в два раза! В связи с этим возникает вопрос: каким образом нагревается, например, полупроводниковый переход транзистора в импульсном преобразователе? Потери PLOSS как сумма потерь проводимости и коммутационных потерь — это понятно, это причина, но что еще влияет на температуру компонента и может снизить надежность? Здесь вступает в дело второй фактор — теплопроводность, и обратная ей величина — тепловое сопротивление, причем оно является

суммой всех сопротивлений на пути передачи тепла от полупроводникового перехода транзистора, а их будет несколько, в среду, где тепло может рассеяться, находятся не только разные материалы с разной теплопроводностью, но и границы между ними (рис. 1) [1]. Часть тепловых сопротивлений обусловлена конструктивными особенностями компонента (например, соединение кристалла и корпуса, как показное на рис. 2) — Rθj, часть — тепловое сопротивление системы отвода тепла (радиатора) — RθHS, а часть RθTIM находится посередине, и именно она называется термоинтерфейсом TIM (Thermal Interface Material). www.kite.ru

100

технологии

Первое можно оптимизировать, только выбрав соответствующий нашим задачам компонент, но повлиять на его суммарное тепловое сопротивление Rθj мы не можем. Третье RθHS мы можем оптимизировать, разработав или выбрав систему охлаждения с соответствующим RθHS. Но остается второе RθTIM, то, что посередине, — это так называемый термоинтерфейс (рис. 3), который отвечает за тепловое сопряжение компонента и системы охлаждения. Если на пути передачи тепла (термоинтерфейс) не оптимизировать элемент, никакая система охлаждения не спасет. Это можно проиллюстрировать так: если в электрической цепи будет высокое сопротивление, то ДнепроГЭС может крутить турбины сколько угодно, лампочка в квартире светиться не будет. Одно утешает, в отличие от электронного компонента гидроэлектростанция не перегреется и не выйдет из строя. А вот в нашем случае температура от точки TAMB до точки Tj будет ступенчато возрастать. С точки зрения обеспечения надежности она не должна даже в самых худших вариантах достигнуть предельной величины, определенной для конкретного компонента. Естественно, некоторый технологический запас здесь тоже не помешает. Сравнение систем отвода тепла с соответствующим термоинтерфейсом и без него представлено на рис. 4 [1]. Итак, мы определили причину болезни, ее последствия в случае отказа от лечения, поняли, что нужно лечить. Дело за малым: определить лекарство, в качестве которого в нашем случае выступает термоинтерфейс. Само же лечение называется «управление температурным режимом».

Проблемы управления температурным режимом Термин «управление температурным режимом» (Thermal Management) используется для описания методов, предназначенных для удаления избыточного тепла, выделяемого электронными устройствами и компонентами. Это проблема первостепенной важности, и задача состоит в том, чтобы не только предотвратить выход компонентов из строя,

Рис. 4. Сравнение систем отвода тепла без использования и с использованием термоинтерфейса

но и гарантировать надежность изделия в целом с заданным сроком службы или временем безотказной работы, в зависимости от характера изделия и области его применения. В общем виде сказанное проиллюстрировано на рис. 5. Для решения задачи нам необходимо: • обеспечение пути для отвода тепла; • распространение тепла по большей площади для его эффективного рассеивания; • предотвращение перегрева компонентов. Все просто, если бы не было так сложно. На пути управления температурным режимом разработчик может столкнуться с самыми разными проблемами, которые выходят за рамки использования привычной термопасты или термопрокладки. Хотя и они, несомненно, имеют право на жизнь и не раз сослужили хорошую службу. Итак, самый простой вариант — отвод тепла от транзистора или микросхемы с установкой их на радиатор. Здесь мы имеем два варианта: изолированный и неизолированный. Это решение обычное и понятное. Более сложные решения требуются, если мы сталкиваемся с точечным нагревом. Здесь для снижения теплового сопротивления необходимо принять и рассредоточить тепло, а затем передать его через корпус или радиатор во внешнюю среду. Такой элемент

Рис. 5. Задача, решаемая посредством управления температурным режимом [3]

термоинтерфейса называется «теплораспределитель». Теплораспределители делают из материалов с высокой теплопроводностью, они эффективны, даже если выполнены в виде тонких листов. Это решение распределяет тепловую энергию горизонтально и позволяет использовать для отвода тепла большие поверхности, то есть для улучшенного охлаждения применяют охлаждающие узлы, размер которых превышает размер поверхности горячего компонента. Если мы имеем дело с чем-то не плоским, то понадобится термоинтерфейс, способный принять некую отличную от плоскости форму (желательно любую) и через себя передать тепло вертикально на систему охлаждения. В общем случае необходим так называемый заполнитель зазоров. Заполнители зазоров (Gap Filler) удаляют воздух между компонентом и охлаждающим блоком, заполняя пространство теплопроводным слоем; могут использоваться для заполнения как малых, так и больших зазоров. Gap Filler — это, как правило, жидкие материалы, состоящие из двух компонентов, вулканизирующихся при смешении. Вулканизация происходит в течение нескольких часов при комнатной температуре либо в течение 5 мин при +100 °C в зависимости от типа материала. Таким образом, практически не оказывая силового воздействия на элементы печатной платы, можно покрыть ее поверхность теплопроводным электроизолирующим материалом. Причем его толщина может быть сколь угодно мала. Однако имеются и другие решения без вулканизации, что, несомненно, удобнее. Сравнение решений без теплового интерфейса и с его использованием показано на рис. 6. К перечисленному следует добавить, что могут потребоваться термоинтерфейсы с высокой степенью электрической изоляции или, наоборот, токопроводящие, на клеевой (липкой) основе или без нее, способные просто соединить компонент и теплоотвод или соединить их с достаточной механической

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

технологии

а

101

б

Рис. 6. Сравнение решений: а) без теплового интерфейса с управлением температурным режимом путем заполнения зазора; б) с теплораспределением

прочностью, позволяющей передать тепло, но при этом избежать дополнительного крепежа. Именно такие термоинтерфейсы предлагает компания Würth Elektronik.

Выбор оптимального термоинтерфейса для управления температурным режимом В настоящее время компания Würth Elektronik предлагает широкий выбор термоинтерфейсных материлов, позволяющих разработчику решить практически весь круг описанных проблем и найти оптимальный вариант для конкретного оборудования. Предлагаемые компанией Würth Elektronik новые термоинтерфейсы разбиты на четыре группы [3]: • WE-TGF Thermal Gap Filler Pad — прокладки из силиконового эластомера для заполнения зазоров; • WE-TINS Thermally Conductive Insulator Pad — теплопроводящая изолирующая прокладка; • WE-TTT Thermal Transfer Tape — теплопередающая лента; • WE-PCM Thermal Phase Changing Material — прокладки из материала, меняющего свое фазовое состояние. Кроме этого, в номенклатуре компании представлены графитовые материалы: • WE-TGFG Graphite Foam Gasket — прокладки из графитовой пены; • WE-TGS Graphite Sheet — графитовые листы. Поскольку эти материалы новые и интересные, рассмотрим их подробнее.

WE-TGF — прокладка из силиконового эластомера для заполнения зазоров WE-TGF — это прокладка типа Gap Filler, выполненная из силиконового эластомера и предназначенная для заполнения зазоров между одним или несколькими электронными компонентами и охлаждающим узлом, таким как радиатор, охлаждающая пластина или металлический корпус [4]. Прокладка WE-TGF состоит из трех основных компонентов, как это показано на рис. 7: • ПЭТ-пленка — прокладка WE-TGF защищена двумя пленками из полиэтилентерефталата (ПЭТ): более толстая внизу, которая действует как носитель, и более тонкая сверху, чтобы защитить материал от посторонних частиц; • теплопроводящий силиконовый эластомер — основная часть прокладки. За счет силикона прокладка становится мягкой и легко прилегает к контактным поверхностям, таким образом материал полностью заполняет зазор и удаляет воздух. Силикон легирован теплопроводящим компонентом в виде керамических частиц, а общую теплопроводность материала определяет соотношение в смеси обоих компонентов.

• стекловолоконная сетка обеспечивает механическую стабильность и прочность прокладки в ее более тонких версиях (менее 2 мм). Прокладка WE-TGF специально разработана для использования при низком давлении между компонентом и охлаждающим узлом. Поскольку естественно липкая прокладка устанавливается между двумя механически закрепленными поверхностями, она не имеет дополнительного адгезионного слоя.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

Основные технические характеристики прокладки WE-TGF: • Теплопроводность: 1–6 Вт/м·К, планируется до 10 Вт/м·К.

• Размеры: – стандартная толщина: 0,25–5 мм (планируется до 18 мм в нижнем диапазоне теплопроводности, от 1 до 3 Вт/м·К); – толщина для материалов с высокими эксплуатационными характеристиками: 0,5–3 мм; – длина листа: 19,05–400 мм; – ширина листа: 12,7–300 мм.

• Электрическая изоляция: прокладка имеет силиконовую основу, поэтому между контактными поверхностями компонентов существует полная электрическая изоляция.

• Особенности применения в условиях низкого давления: для оптимальной работы и обеспечения надлежащего контакта с обеими поверхностями прокладка WE-TGF рассчитана на сжатие 10–30% своей толщины. Благодаря мягкости и электроизоляционным свойствам используемого материала прокладку WE-TGF можно применять для заполнения зазора между одним или несколькими электронными компонентами и охлаждающим узлом, не беспокоясь о коротких замыканиях

Рис. 7. Внешний вид и компоненты прокладки WE-TGF

www.kite.ru

102

технологии

или нежелательных контактах. Например, при работе с компактными конструкциями, в которых предусмотрены тепловые переходные отверстия для перенаправления тепла на нижнюю сторону печатной платы, как это показано на рис. 8. Прокладки WE-TGF уже хорошо зарекомендовали себя, это оптимальный выбор для обеспечения термоинтерфейса с радиатором или металлическим корпусом. Кроме того, прокладка может использоваться в гибридных решениях, где необходимо тепловое управление и выполнение требований по электромагнитной совместимости [5]. Благодаря мягкости используемого материала прокладка WE-TGF способна гасить вибрации без какой-либо механической помощи и обеспечивает электрическую прочность изоляции в пределах своих характеристик. В настоящее время номенклатура прокладок WE-TGF расширена новыми позициями. Повторное использование прокладок этого типа не рекомендуется.

WE-TINS — теплопроводящая изолирующая прокладка WE-TINS — это уплотнительная прокладка из силиконового эластомера, предназначенная для электрической изоляции электронных компонентов от охлаждающих устройств, таких как теплоотводящие системы, металлические корпуса или радиаторы [6]. Прокладка WE-TINS состоит из двух основных компонентов (рис. 9): • теплопроводящая силиконовая резина — основная часть компонента. Силикон позволяет прокладке быть мягкой и легко приспосабливаться к неровностям поверхности. Кроме передачи тепла, прокладка обеспечивает электрическую изоляцию между контактными поверхностями; • стекловолоконная сетка придает прокладке механическую прочность, а также обеспечивает ее сопротивление сдвигу и проколу (продавливанию). Прокладка WE-TINS специально разработана для применения там, где необходим отвод тепла и электрическая изоляция между компонентом и охлаждающим узлом. Чаще

Рис. 8. Организация теплового сопряжения нижней стороны печатной платы с радиатором

всего эта прокладка используется в типовых решениях для установки транзисторов в корпусах TO (Transistor Outline) на радиаторы, как это показано на рис. 10. Основные технические характеристики прокладки: • Теплопроводность: 1,6–3,5 Вт/м·К.

• Размеры: – толщина: 0,23 и 0,25 мм (в зависимости от теплопроводности); – длина: 60–300 м; – ширина: 60–300 мм.

• Электрическая изоляция: продукт имеет силиконовую основу, поэтому между контактными поверхностями компонентов существует полная электрическая изоляция с электрической прочностью не менее 5,5 кВ/мм.

• Применение при высоком давлении: прокладка способна выдерживать растяжение (прочность на разрыв 30 МПа) и механическое сжатие, твердость прокладки (по Шору А) 70–92. Стандартная прокладка поставляется в сухом виде. Если для конкретного применения требуется одно- или двухсторонний клей, его также можно добавить в качестве дополнительной опции при заказе. Если используемая прокладка не имеет дополнительных клеев на контактных поверхностях, ее можно использовать повторно. Кроме того, благодаря мягкости материла прокладка WE-TGF гасит вибрации без какой-либо механической помощи и обеспе-

чивает изоляцию с эклектической прочностью в пределах своих характеристик.

WE-TTT — теплопередающая лента Новинка компании Würth Elektronik — теплопередающая двусторонняя лента WE-TTT, предназначенная для обеспечения термоинтерфейса, который одновременно позволяет механически фиксировать обе контактные поверхности [7]. Теплопередающая лента WE-TTT состоит из трех основных компонентов (рис. 11): • Удаляемая пленка: лента WE-TTT поставляется с защитной пленкой, которая защищает клеевой слой от пыли и сторонних частиц.

Рис. 10. Пример использования прокладки WE-TINS: транзистор установлен на радиаторе с изоляционной прокладкой

Рис. 9. Внешний вид и компоненты прокладки WE-TINS

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

технологии

103

Рис. 11. Внешний вид и компоненты теплопередающей ленты WE-TTT

• Акриловый теплопроводящий клей — основной теплопередающий компонент, а также клей.

• Стекловолоконная сетка придает теплопередающей ленте WE-TTT механическую стабильность. Теплопередающая лента WE-TTT специально разработана для использования в системах с низким давлением между компонентом и охлаждающим узлом. Благодаря своим адгезионным свойствам она позволяет устанавливать узлы охлаждения на компоненты без дополнительной механической фиксации. Основные технические характеристики теплопередающей ленты WE-TTT: • Теплопроводность: 1 Вт/м·К для всей линейки продуктов.

• Размеры: – толщина: 0,2 мм; – длина: 25 м; – ширина: от 8 до 50 мм.

• Электрическая изоляция: лента выполнена на акриловой подложке, поэтому между контактными поверхностями компонентов имеется полная электрическая изоляция, гарантирующая электрическую прочность не менее 4 кВ/мм.

• Чувствительность к давлению: когда лента установлена в нужном положении, для оптимальной механической фиксации склеиваемых деталей надо просто надавить на нее при сборке. Благодаря своим адгезионным свойствам охлаждающие узлы, такие как радиаторы, могут быть закреплены на компонентах без помощи винтов или зажимов. Лента может использоваться в качестве термоинтерфейса для светодиодных сборок, которые, как известно, выделяют избыточное тепло. Теплопроводящая лента WE-TTT позволяет закреплять охлаждающие узлы, которые служат крышкой для устройства (рис. 12). Теплопроводящая лента WE-TTT обеспечивает эклектическую прочность изоляции в пределах своих характеристик. Если она используется в соответствии с параметрами, указанными в спецификации, ее твердость

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

Рис. 12. Пример фиксации печатной платы со светодиодами на радиаторе с термоинтерфейсом в виде теплопроводящей ленты WE-TTT без какого-либо дополнительного механического крепления

или другие механические свойства не претерпят значительных изменений. Повторное использование ленты не рекомендуется, поскольку это требует разделения двух подложек, что разрушает ленту, делая ее непригодной для эксплуатации.

WE-PCM — прокладка из материала, меняющего свое фазовое состояние Меняющий свое фазовое состояние материал, лежащий в основе прокладки WE-PCM [8], разработан как альтернатива термопастам и смазкам между высокопроизводительными компонентами, такими как процессоры или силовые компоненты, и элементами их охлаждения. Этот материал переходит из твердого состояния в жидкое при определенной температуре, обеспечивая полное смачивание поверхности раздела без какихлибо проливов или перелива. Создаваемый температурный переход через такой термоинтерфейс сравним с тем, который обеспечивается пастами и консистентными смазками, но без проблем, связанных с использованием полужидких паст и жидкостей.

Прокладка WE-PCM состоит из трех основных компонентов (рис. 13): • Удаляемая ПЭТ-пленка: для защиты материала от инородных частиц прокладка WE-PCM с двух сторон защищена пленками из полиэтилентерефталата (ПЭТ). Перед использованием прокладки эти защитные ПЭТ-пленки необходимо удалить.

• Материал с изменяющимся фазовым состоянием — основная составляющая прокладки.

• Полиимидная пленка предназначена для обеспечения электрической изоляции и присутствует в некоторых стандартных вариантах поставки. Теплопроводные свойства прокладки при этом не ухудшаются. Прокладка WE-PCM предназначена для обеспечения беспрепятственной передачи тепла от компонента к системе охлаждения, например радиатору. Тонкая прокладка WE-PCM создает полное смачивание контактных поверхностей, а ее тепловое сопротивление, обеспечиваемое материалом, крайне низкое по сравнению с другими теплопроводящими решениями. Основные технические характеристики прокладки WE-PCM: • Теплопроводность: 1,6–5 Вт/м·К.

• Размеры (стандартная прокладка в твердом состоянии при комнатной температуре): – толщина: 0,2 мм; – длина листа: 100–400 мм; – ширина листа: 100–300 мм.

• Электрическая изоляция: при необходимости предлагаются стандартные варианты поставки с полиимидной пленкой, имеющей электрическую прочность изоляции до 5 кВ/мм.

• Температура фазового перехода: материал прокладки спроектирован так, чтобы переходить из твердого состояния в жидкое при температуре +50…+60 °C. Благодаря способности материала обеспечивать эффективную передачу тепла его можно использовать для охлаждения таких высокопроизводительных интегральных схем, как центральный процессор или микросхема на основе программируемых лоwww.kite.ru

104

технологии

Рис. 13. Прокладка WE-PCM и ее компоненты

гических вентилей (ПЛИС). Другой пример, когда требуется высокопроизводительное решение в части отвода тепла, — приложения, связанные с преобразованием энергии. Здесь прокладка WE-PCM может помочь эффективно отвести тепло через систему охлаждения, например радиаторы и т. п., от силовых транзисторов. При использовании прокладок WE-PCM необходимо учитывать следующее: 1. Нормированную электрическую прочность изоляции имеют только стандартные прокладки, армированные полиамидной пленкой и соответствующие рекомендованным спецификациям. Прокладка разработана исключительно как решение для заполнения зазоров между контактирующими поверхностями, а не как электрически изолирующее решение.

2. Если материал прокладки используется в соответствии с параметрами, указанными в спецификации, то при воздействии температуры значительных изменений его твердости или других механических свойств не происходит.

3. Если материал прокладки еще твердый, ее можно, соблюдая крайнюю осторожность, применить повторно, однако при этом существует высокий риск загрязнения контактных поверхностей посторонними частицами, а также разрыва материала. После того как материал сменил фазу, его нельзя использовать повторно.

4. Избегайте использования прокладок WEPCM в приложениях, в которых устройство не достигает температуры фазового перехода или превышена максимальная рекомендованная рабочая температура материала (+130 °C).

5. Нет необходимости использовать прокладки WE-PCM с дополнительной липкой лентой, прокладка легко устанавливается благодаря собственной липкой основе.

6. Для того чтобы охлаждающий узел удерживался на горячем компоненте при ис-

пользовании прокладки, требуется его механическая фиксация. Необходимо учитывать, что по достижении температуры фазового перехода прокладки нужно дополнительно затянуть. Поэтому рекомендуется использовать зажимы или комбинацию винтов, шайб и пружин. Конструкция должна создавать постоянное усилие, что, в свою очередь, обеспечит должное функционирование всего узла. Эффект от применения прокладки WEPCM сравним с тем, который обеспечивается пастами и консистентными смазками, но ее использование — более удобное и эффективное решение без проблем, связанных с загрязнением при использовании полужидких паст и жидкостей.

WE-TGFG — теплопроводящая прокладка из синтетического пенографита Прокладка WE-TGFG представляет собой слой синтетического графита, обернутый вокруг сердцевины из вспененного материала, — таким образом обеспечивается вертикальная теплопроводимость горизонтального теплораспределителя [9]. Прокладка из вспененного графита состоит из четырех основных компонентов (рис. 14): • Акриловая пленка: прокладка WE-TGFG защищена двумя пленками, которые обеспечивают электрическую изоляцию между контактными поверхностями.

• Графитовый слой — компонент, обладающий свойствами теплопроводности.

• Клеевой слой: на основу изделия наносится слой теплопроводящего клея для механической фиксации до окончательного сжатия и сборки.

• Термостойкий вспененный материал поддерживает механическую стабильность и эластичность прокладки, позволяя сжимать ее за счет уменьшения высоты и для обеспечения наилучшего теплового интерфейса.

Прокладка WE-TGFG разработана для приложений, недоступных для традиционных термоинтерфейсных материалов (TIM). Поскольку она одновременно распространяет тепло и заполняет зазоры, ее можно использовать для передачи тепла по всем осям (X, Y и Z). Графитовые прокладки с тепловодностью 400 Вт/м·К — это решение общего назначения, удовлетворяющее требованиям к самым разнообразным приложениям, представляя собой альтернативу традиционным силиконовым заполнителям зазоров в приложениях, где использование силикона нежелательно или не допускается. Кроме того, графитовые прокладки WE-TGFG имеют акриловый слой, обеспечивающий электрическую изоляцию. Прокладки WE-TGFG также можно использовать в качестве альтернативы традиционным силиконовым заполнителям зазоров, когда необходимо заполнить большой зазор с помощью более эффективной прокладки. Из-за производственных ограничений чем выше требуемая теплопроводность силиконовой прокладки, тем тоньше она должна быть; прокладка WE-TGFG может заполнять зазоры до 25 мм с гораздо более высокой теплопроводностью, чем у силиконового эластомера. Воспользовавшись способностью графита распространять тепло, можно изготавливать длинные прокладки. Такой вариант позволяет разработчикам решить проблемы, если радиатор не может быть установлен непосредственно на верхней части компонента. Еще одно преимущество, обеспечиваемое вспененной сердцевиной, — возможность изготавливать прокладки с различными профилями, что позволяет уйти от плоских контактных поверхностей на охлаждающих узлах (рис. 15). Если материал прокладки WE-TGFG используется в соответствии с параметрами, указанными в спецификации, его твер-

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

технологии

а

105

б

Рис. 14. Графитовые прокладки WE-TGFG: а) внешний вид; б) конструктивное исполнение

Рис. 15. Пример использования прокладки WE-TGFG для отвода тепла в геометрически сложных узлах, где применение обычных решений термоинтерфейса невозможно

дость или другие механические свойства не претерпят значительных изменений. Прокладки могут поставляться с клеевым слоем или без него. Если используется прокладка с клеевым слоем, то ее повторное применение из-за загрязнения контактной поверхности сторонними частицами не рекомендуется. Это может привести к ухудшению тепловых характеристик и ухудшению адгезии.

WE-TGS — графитовые листы Прокладка WE-TGS — это теплораспределитель в виде листа из синтетического графита, соответственно, большая часть теплопроводности такого листа приходится

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

на горизонтальную плоскость XY. Данный эффект позволяет использовать значительно большие охлаждающие поверхности вместо того, чтобы ограничиваться контактными поверхностями компонента, который необходимо охлаждать [10]. Стандартный лист синтетического графита состоит из трех основных компонентов (рис. 16): • Пленка ПЭТ: прокладка из листа WE-TGS защищена двумя полиэтилентерафталатными (ПЭТ) пленками, предохраняющими поверхность изделия от повреждений (царапин).

• Графитовый слой обеспечивает продукту способность распространять тепло. Теплопроводность графитового слоя будет меняться в зависимости от двух основных параметров: его толщины и плотности. Чем он тоньше и плотнее, тем выше теплопроводность.

• Акриловые слои обеспечивают электрическую изоляцию продукта. Один из них имеет клейкую поверхность для приложений, где устройство подвергается воздействию вибрации и/или может произойти смещение. В любом случае рекомендуется добавить внешнее крепление, зафиксировав графит с помощью липкой ленты или каким-либо иным приемлемым механическим способом. Прокладки, изготовленные из листов графита WE-TGS, обладают высокой надежностью и стойкостью к различным видам деградации и коррозии. Соответственно, прокладка из такого листа — это универсальное решение общего назначения, удовлетворяющее требованиям к самым разнообразным прило-

жениям и избавляющее от проблем, которые нельзя устранить с помощью обычных материалов термоинтерфейса. В приложениях графит используется для равномерного распределения выделяемого тепла, обеспечивая стабильную температуру для всех компонентов, что позволяет избежать быстрой деградации их характеристик, о чем шла речь в начале статьи. Для того чтобы обеспечить как вертикальные, так и горизонтальные термические интерфейсы, графитовый лист можно комбинировать с традиционными заполнителями зазоров. Среди основных преимуществ графитовых листов — их малый вес и толщина (17–70 мкм), что в сочетании с высокой теплопроводностью (1800 Вт/м·К) делает их использование очень эффективным. Один из примеров применения прокладки из листа WE-TGS показан на рис. 17. Еще одним современным примером применения графита являются решения для управления температурным режимом тяговых батарей гибридных и электрических транспортных средств. Здесь графитовый лист и прокладки используются в качестве альтернативы алюминиевым пластинам, что позволяет уменьшить общий вес батареи аккумуляторов и предложить более устойчивое к коррозии и старению решение. Если материал прокладки WE-TGS используется в соответствии с параметрами, указанными в спецификации, его твердость или другие механические свойства не претерпят значительных изменений. Листы WETGFG могут изготавливаться без клеевого слоя. Если используется прокладка из листа с клеевым слоем, то ее повторное применеwww.kite.ru

технологии

106

Рис. 16. Внешний вид и компоненты листа WE-TGS

ние нежелательно из-за загрязнения контактной поверхности посторонними частицами, это может привести к ухудшению тепловых характеристик и ухудшению адгезии.

Заключение Как можно видеть из представленного обзора новых материалов компании Würth Elektronik, как в хорошей аптеке, есть все лекарства, которые помогут вам решить весьма непростую задачу управления температурным режимом. При использовании предлагаемых компанией материалов можно решить проблему распределения и удобного отвода тепла, снизить нагрев не только одного, но и группы компонентов, что скажется на повышении надежности конечного оборудования. Кроме самих прокладок, компания Würth Elektronik предлагает комплексные услуги по модификации, нарезке заготовок и полному их раскрою. Вам не понадобится специализированное оборудование и изготовление оснастки, что позволит сэкономить деньги и время. Достаточно предоставить следующую информацию: • Теплопроводность, необходимая для применения прокладки.

• Желаемая толщина прокладки.

• Необходимое количество прокладок.

• Технический чертеж вашего индивидуального решения.

• Дополнительные требования, которые могут у вас возникнуть (например, применить или убрать клей и т. п.). Для ознакомления разработчиков с новыми материалами компания разработала и предлагает два комплектных набора: • Sample Kit Thermal Interface Solutions — набор образцов решений для вертикальных термоинтерфейсов [11] в составе WE-TGF, WE-TINS, WE-PCM и WE-TTT. • Sample Kit Heat Spreading Solutions — набор образцов решений для распределения тепла [12] в составе WE-TGFG и WE-TGS. Также на сайте компании по ссылке [1] доступен вебинар, на котором обсуждаются общие вопросы управления температурным режимом, а в скором времени появится и специализированный вебинар, посвященный выбору подходящего решения для управления температурным режимом проекта [13]. В случае возникновения вопросов можно обратиться в службу технической поддержки компании, также всю необходимую помощь могут предоставить ее авторизованn ные дилеры.

Литература 1. Thermal Management Principals Explained. Würth Elektronik Webinar. www.passive-components.eu/thermal-management-principals-explainedwurth-elektronik-webinar/

Рис. 17. IGBT-модуль с эффективным использованием радиатора большего размера, чем его корпус

2. Application Note Of CRRC Press-Pack IGBT/Zhuzhou CRRC Times Semiconductor Co., Ltd, 2019.

3. www.we-online.com/catalog/en/tm/gap_filling_solutions 4. WE-TGF Design Guideline Silicone Elastomer Gap Filler Pad. www.we-online.com/catalog/en/THERMAL_WE-TGF 5. Alcarria A. WE Day 2020: EMC Shielding 101. www.we-online.com/web/en/index.php/show/media/06_passive_ components_-_custom_magnetics/events_1/we_day/we_day_files/ we_day_2020_presentations/WE_Day_EMC_101_Presentation.pdf 6. WE-TINS Thermally Conductive Insulator Pad. www.we-online.com/catalog/en/THERMAL_WE-TINS 7. WE-TTT Thermal Transfer Tape. www.we-online.com/catalog/en/THERMAL_WE-TTT 8. WE-PCM Design Guideline Phase Changing Material. www.we-online.com/catalog/en/THERMAL_WE-PCM 9. WE-TGFG Graphite Foam Gasket. www.we-online.com/catalog/en/THERMAL_WE-TGFG?sq=WE-TGFG 10. WE-TGS Graphite Sheet. www.we-online.com/catalog/en/THERMAL_WE-TGS?sq=WE-TGS 11. Sample Kit Thermal Interface Solutions. Vertical Thermal Interfaces Order Code 400001. www.we-online.com/catalog/en/THERMAL_SAMPLE_KIT_ MANAGEMENT_INTERFACE_SOLUTIONS 12. Sample Kit. Heat Spreading Solutions, Heat Spreading Interfaces Order Code 400002. www.we-online.com/catalog/en/tm/design_kits_thermal_ management 13. Choosetheright Thermal Management solution for your design. www.register.gotowebinar.com/register/489542576795036688

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

Реклама

108

технологии

измерительная аппаратура

Функциональные генераторы против генераторов сигналов произвольной формы на примере тестирования автомобильного Ethernet

Алексей Мендеров menderov@prist.ru

Генераторы сигналов прямого цифрового синтеза (DDS) Прямой цифровой синтез, более известный как DDS, — метод генерации сигналов, который использует цифровые устройства для генерации частотно-переменного и фазово‑переменного сигналов из опорного тактового сигнала фиксированной частоты. Этот метод обычно распространен в менее дорогих генераторах сигналов, гарантируя отличные результаты, однако имеет существенное ограничение, связанное с использованием фиксированной частоты дискретизации. Следует помнить, что в функциональном генераторе желаемая пользовательская фор-

Современные генераторы сигналов построены на основе двух разных аппаратных архитектур, что приводит к появлению различных пользовательских интерфейсов, порождая два типа продуктов: функциональные генераторы сигналов, или AFG, и генераторы сигналов произвольной формы, или AWG. Оба типа генераторов характеризуются большой гибкостью и одинаково популярны на рынке. Однако важно знать их различия, чтобы выбрать наиболее подходящее испытательное оборудование для конкретного применения, о чем мы и поговорим в статье. В качестве тестового примера рассмотрим характеристику приемника для быстрой последовательной шины, такой как Automotive Ethernet.

ма сигналов строится с помощью определенного количества выборок (рис. 1). Выходная частота генерируемого сигнала напрямую зависит от частоты опорного генератора и количества отсчетов и вычисляется как:

Выходная частота = Частота дискретизации/ Количество отсчетов формы сигнала. На практике генератор типа DDS создает сигнал определенной частоты. Данные для формирования сигнала берутся из памяти форм сигналов генератора. При этом выборка осуществляется с частотой опорного генератора. Генерирование этого же сигнала с более высокой частотой реализуется путем

уменьшения количества используемых генератором DDS отсчетов, в результате фактически сгенерированный сигнал будет менее точным. Создание сигнала с более низкой частотой при фиксированной частоте дискретизации достигается путем повтора DDS-генератором точек исходного сигнала. Организация сигналов подобным способом зачастую приводит к искажению нужной формы, что нежелательно в приложениях, где требуются сложные формы сигналов. В зависимости от частоты выходного сигнала могут исчезать некоторые нюансы в фактически сгенерированном сигнале, что может привести к увеличению джиттера, а в ряде случаев и даже к полному искажению сигнала. А для выполнения ряда задач это неприемлемо. Одновременно с указанными недостатками метод DDS довольно просто реализуем, что заметно снижает стоимость генераторов, а также позволяет быстро изменять частоту выходного сигнала, избегая скачков фазы и облегчая, например, создание сигналов с частотной разверткой в реальном времени даже на высокой скорости.

Генераторы сигналов истинной произвольной формы (True AWG)

Рис. 1. Схема функционального генератора с технологией DDS

Генераторы, которые в настоящее время называют генераторами сигналов произвольной истинной формы (рис. 2), имеют концептуально очень простой принцип работы.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

измерительная аппаратура

технологии

109

Таблица. Плюсы и минусы генераторов сигналов DDS и True Arbitrary

Рис. 2. Генератор сигналов произвольной формы

Генераторы с технологией DDS

Генераторы с технологией True Arbitrary

Тактовый генератор с фиксированной частотой дискретизации

Тактовый генератор с переменной частотой дискретизации

Максимально удобно варьировать частоту

Менее удобно варьировать частоту

Меньше подходит для идеального воспроизведения каждой детали формы сигнала

Оптимален для систематического воспроизведения каждой детали формы сигнала

Более высокие искажения для несинусоидальных форм сигнала

Более низкие искажения для несинусоидальных форм сигнала

налов в одном устройстве, в зависимости от конкретных потребностей. Модели серии T3AWG3K (рис. 3) компании Teledyne Test Tools служат примером генераторов сигналов произвольной формы, которые объединяют в одном приборе режимы работы DDS и True Arbitrary. В зависимости от требований конкретного приложения генератор переключается из одного режима в другой простым нажатием кнопки на передней панели.

Пример тестирования приемника Automotive Ethernet

Рис. 3. Генератор сигналов произвольной формы T3AWG3358

Как и в генераторах DDS, используются схожие узлы формирования выходного сигнала. Основное отличие этих устройств от DDSгенераторов — наличие опорного генератора с переменной частотой. Каждая точка дискретизированного представления формы сигнала хранится в памяти, которая последовательно считывается с помощью опорного тактового генератора с переменной частотой. Значения ячеек памяти, последовательно адресуемых тактовым сигналом, поступают на схему цифро-аналогового преобразования (ЦАП), за которой следует фильтр низких частот. Поскольку количество отсчетов, используемых для описания генерируемой формы сигнала, фиксировано, для изменения его выходной частоты достаточно изменить частоту тактового генератора, что приведет к более быстрой пересылке отсчетов на ЦАП. Таким образом, частота выходного сигнала зависит только от частоты тактового генератора и количества выборок в памяти, описывающих форму сигнала, в соответствии с уже показанной выше зависимостью. В отличие от генераторов типа DDS генераторы сигналов с True Arbitrary Forms всегда используют отдельные отсчеты, описывающие форму сигнала, независимо от выходной частоты. В результате желаемая форма сигнала всегда создается с одинаковой точностью, независимо от частоты выходного сигнала. Точки никогда не пропускаются и не повторяются, поэтому даже мельчайшие детали, хранящиеся в образце сигнала,

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

всегда воспроизводятся в выходном сигнале. Соответственно, точность зависит только от дискретности описания сигнала и стабильности компонентов генератора, а не от выходной частоты генерируемого сигнала. Точность, всегда независимая от выходной частоты и сложности формы сигнала, является основным преимуществом генераторов True Arbitrary Forms перед генераторами функций прямого цифрового синтеза (DDS) (таблица). В то же время выполнить развертку частоты генерируемого сигнала в реальном времени сложнее, поскольку все точки определения формы сигнала должны быть пересчитаны как функция частоты. Существуют приборы, которые позволяют использовать оба метода создания сиг-

Задача — осуществить тестирование интерфейса Automotive Ethernet, 100Base-T1 (скорость 66,667 Мбит/с, тип модуляций PAM3 (рис. 4), номинальные напряжения: 1, 0, –1 В). Для решения этой задачи необходимо не только осуществить функциональное тестирование работоспособности приемника, но и выяснить, как будет реагировать приемник на сигналы, имеющие разного рода искажения и шумы. Для данного комплексного тестирования можно разработать собственный передатчик — генератор тестовых сигналов 100Base-T1, с внешней схемой, позволяющей вносить различные искажения сигнала. По сути, решить обратную задачу. Однако в современных реалиях, при которых высоки требования к срокам выполнения работ, данный путь нецелесообразен.

Рис. 4. Идеальный сигнал PAM3 с двумя уровнями порога принятия решения

www.kite.ru

110

технологии

Рис. 5. Идеальный сигнал PAM3 100Base-T1 создан с помощью программы Waveform Editor Utility

Рис. 6. PAM3‑сигнал 100Base-T1 с добавленным шумом

Второй вариант — использовать генератор сигналов произвольной формы серии T3AWG3K. Устройство имеет удобный пользовательский интерфейс, дистанционное управление и весьма внушительные возможности по формированию сигнала с заданными характеристиками. Простыми манипуляциями, практически «на лету», инженер-исследователь может вносить искажения в формируемый сигнал, необходимые для тестирования приемного устройства, такие как джиттер, шум, неправильные уровни напряжения или другие виды дефектов. Генераторы сигналов серии T3AWG3K так же, как и АКИП‑3421, АКИП‑3426, АКИП‑3427 (разработаны и производятся итальянской компанией Active Technologies), имеют встроенный редактор Waveform Editor. В этой среде можно создавать формы сигналов любого типа и сложности, комбинируя различные сегменты и компоненты. Сегменты соответствуют последовательным частям сигнала во временной области. Каждый сегмент сигнала, в свою очередь, может быть составлен из суперпозиции нескольких компонентов.

Пример построения сигнала PAM3 для Automotive Ethernet Для построения сигнала PAM3 для Automotive Ethernet будем использовать только

измерительная аппаратура

Рис. 7. Последовательность сигналов PAM3 с возрастающим влиянием шума

Рис. 8. Сигнал PAM3 с нарастающим шумом, полученный и проанализированный осциллографом

один сегмент, который соберем как сумму двух компонентов. В качестве первого компонента выберем из библиотеки программного обеспечения Waveform Editor псевдослучайную последовательность PRBS7. В качестве второго компонента — псевдослучайную последовательность PRBS8 (рис. 5). Сложение обоих компонентов позволит получить идеальный сигнал PAM3, который мы будем использовать для тестирования приемника Automotive Ethernet. Для продолжения тестирования и проверки работы нашего приемника на наличие шума в принимаемом сигнале продублируем созданную ранее форму идеального сигнала PAM3 и добавим в сегмент новый компонент. На этот раз из предопределенных сигналов, доступных в Waveform Editor, выберем белый шум. Установим уровень белого шума 100 мВ. В результате путем простейших операций получим зашумленный тестовый сигнал (рис. 6). Подобным образом можно проверить способность нашего приемника работать при возрастании шума в канале (рис. 7). Для этого загрузим ранее созданные образцы сигнала, от идеального PAM3 (без добавления шума), а затем сигнал с возрастающим уровнем шума. Для каждой записи выберем режим бесконечного повторения, с возможностью перехода к следующей форме сигнала по нажатию кнопки. Данная подготовительная процедура занимает не более 3 мин,

однако полученный результат позволяет проводить объективные испытания. После перевода генератора в режим генерации сигнала сначала на выходе мы получим сигнал PAM3 (рис. 8), каждое нажатие клавиши на генераторе будет добавлять шум в формируемый сигнал — такого рода тестирование позволит оценить рабочие пределы тестируемого приемника. Аналогично методу добавления шума в сигнал генератор T3AWG3K позволяет без особых сложностей вносить дополнительные искажения — например, изменять один или несколько символов, непосредственно воздействуя на их уровень напряжения, добавлять джиттер, смещение напряжения или создавать тестовые сигналы с несколькими дефектами. Большой объем памяти генератора T3AWG3K разрешает формировать сигналы любой сложности. Реализованная в устройстве возможность аппаратного смещения выходного сигнала позволяет при любом смещении использовать все преимущества вертикального разрешения ЦАП (16 бит), даже в ситуациях, когда выходная линия имеет значительный дисбаланс.

Заключение Как правило, любую измерительную задачу можно реализовать несколькими способами. В конечном итоге выбор решения

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

измерительная аппаратура

остается за пользователем, однако специалисты компании «ПриСТ» всегда готовы оказать помощь при выборе метода. В ситуации, когда необходимы стандартные формы сигналов, частота которых должна быстро изменяться, генератор прямого цифрового синтеза нередко становится наиболее удобным вариантом.

Однако когда требуются более сложные и четкие сигналы, в которые нужно добавлять разного рода искажения сигнала, как в случае отладки Automotive Ethernetприемника, предпочтителен генератор сигналов произвольной формы. Если в вашей лаборатории есть генератор сигналов T3AWG3K — то это не проблема:

технологии

111

прибор может работать в обоих режимах и гарантирует высокое вертикальное разрешение (16 бит), большой объем памяти (1 Гбайт), высокую частоту дискретизации (1,2 Гвыб/с), синхронные цифровые каналы (до 32) и высокий динамический диапазон (±12 В) с дополнительным аппаратным смещением (±12 В). n

новости

Новые пакеты функциональной безопасности ISO 26262 от Microchip

Реклама

Реклама

Microchip анонсирует выпуск пакетов функциональной безопасности ISO 26262 для контроллеров цифровых сигналов (DSC) dsPIC33C, микроконтроллеров (МК) PIC18 и AVR, чтобы ускорить разработку критически важных для безопасности проектов с уровнями ASIL B и ASIL C. В полноценную экосистему функциональной безопасности DSC dsPIC33C входят: • DSC-контроллеры dsPIC33C, отвечающие требованиям AEC Q100 Grade 0 к функциональной безопасности (Functional Safety Ready), со специальными функциями аппаратной защиты; • сертифицированный SGS TÜV Saar отчет о результатах анализа характера и последствий отказов (FMEDA) на уровне ASIL B Ready и Руководство по функциональной безопасности (FSM); • сертифицированные TÜV Rheinland библиотеки диагностики функциональной безопасности для проектов на уровне ASIL C; • эталонное приложение по функциональной безопасности, демонстрирующее этапы разработки соответствующих проектов, и вспомогательные материалы, которые генерируются с учетом требований стандартов (уровни ASIL B или ASIL C); • отчеты по результатам анализа функциональной безопасности, а также отчеты, упрощающие выполнение требований стандартов и сертификацию. В полноценную экосистему функциональной безопасности МК PIC18 и AVR входят:

• микроконтроллеры PIC18‑Q84, отвечающие требованиям AEC Q100 Grade 1 к функциональной безопасности (Functional Safety Ready), с CAN FD и МК AVR DA с интерфейсами LIN; и те и другие МК обеспечивают аппаратную поддержку емкостных датчиков касания; • сертифицированный SGS TÜV Saar отчет о результатах анализа FMEDA на уровне безопасности ASIL B Ready и Руководство по функциональной безопасности (FSM); • библиотеки диагностики функциональной безопасности; • сертификаты ASIL B Ready и отчеты о сертификации, упрощающие выполнение требований стандартов и сертификацию. Компания Microchip предлагает три пакета функциональной безопасности ISO 26262, которые облегчают труд разработчиков с разным опытом на разных этапах оценки и циклов проектирования: • Базовый пакет функциональной безопасности с основными ресурсами, к которым относятся сертифицированный анализ FMEDA на уровне ASIL B Ready и Руководство по безопасности для клиентов, приступающих к оценке заданных уровней функциональной безопасности и разработке критически важных для безопасности автомобильных приложений.

• Стартовый пакет функциональной безопасности позволяет осуществлять сертифицированный анализ FMEDA на уровне ASIL B Ready и содержит Руководство по безопасности, а также эталонное приложение и диагностические библиотеки, совместимые с ASIL C, которые помогают лучше понять процесс разработки в соответствии с ISO 26262 и использовать отчеты для обеспечения соответствия стандартам.

• Полный пакет функциональной безопасности с комплексным решением для начинающих и маститых экспертов, упрощающий проектирование и сертификацию критически важных для безопасности автомобильных приложений. В дополнение к предложениям стартового пакета в полный пакет входят сертифицированные диагностические библиотеки с исходным кодом и соответствующие отчеты по результатам анализа безопасности для проектов вплоть до уровня ASIL C. Помимо пакетов функциональной безопасности, компания Microchip предлагает сертифицированный TÜV SÜD пакет средств проектирования для экосистемы инструментов разработки MPLAB, чтобы упростить их сертификацию. www.microchip.com

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 10 '2021

www.kite.ru

Реклама

Реклама

12+ Компоненты и технологии

C o m p o n e n t s www.kit-e.ru

№ 10 ’2021

Te c h n o l o g i e s

№ 10 ’2021 (октябрь)

ISSN 2079-6811

SSD компании Foremay для важной информации

октябрь

Дисплейная продукция компании BOE

Components & Technologies

Пошаговая установка среды разработки

IAR Embedded Workbench

Реклама

Реклама

&

Термоинтерфейсы от Würth Elektronik