ek062020 by bortnikova

12+

6/2020 (c. 6)

Алексей Иванов, руководитель представительства JTAG: «В России радиоэлектронная отрасль очень динамична»

(c. 62)

Пошаговое моделирование Джоулева нагрева и деформации печатных плат в среде COMSOL Multiphysics 5.4

(c. 82)

Устранить влияние металлических плоскостей на антенный массив можно, добавив еще один слой проводника

Самая крупная в России выставка электронных компонентов, модулей и комплектующих

Ваш компонент успеха!

11–13 августа 2020 Москва МВЦ «Крокус Экспо»

457 участников

из 17 стран

450+ видов

электронных компонентов

Получите Ваш бесплатный билет по промокоду ee20print

expoelectronica.ru

+7 (499) 750-08-28 electron@hyve.group

* Совместно с выставкой

содержание ЭК

№06/2020 РЫНОК

22 Михаил Смирнов Фазостабильные коаксиальные кабели для повышения точности измерений

6 JTAG-технологии от а до я. Интервью с Алексеем Ивановым

27 Владимир Полудин Неразрушающий контроль внутренней структуры электронных компонентов

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ 9 Владимир Деревятников Модульные сетевые ЭМП-фильтры

ВСТРАИВАЕМЫЕ СИСТЕМЫ 30 Кирилл Кареев Система адаптивного контроля транспорта на основе модулей АО «ПКК Миландр»

ТОПОЛОГИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

ИСТОЧНИКИ И МОДУЛИ ПИТАНИЯ

ИСПЫТАНИЕ И ТЕСТИРОВАНИЕ 16 По материалам компании Keysight Три этапа исследования характеристик ВЧ-устройств путем измерения реакции на входное воздействие

34 Фил Дэвис Конвертеры с постоянным коэффициентом преобразования для систем распределенного питания 38 Наззарено Россетти Компактное зарядное устройство USB Type-C

журнал для разработчиков

12 Сергей Краснов Согласование линий передачи

www. elcp.ru

редакционная коллегия: Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; реклама: Антон Денисов; Елена Живова; распространение и подписка: Марина Панова, Василий Рябишников; директор издательства: Михаил Симаков Адрес издательства: Москва,115114, ул. Дербеневская, д. 1, п/я 35, тел.: (495) 741-7701; факс: (495) 741-7702; эл. почта: info@elcp.ru, www.elcp.ru ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА: Мир электроники (Самара): 443080, г. Самара, ул. Революционная, 70, литер 1; тел./факс: (846) 267-3139, 267-3140; е-mail: info@eworld.ru, www.eworld.ru. Радиоэлектроника: 620107, г. Екатеринбург, ул. Гражданская, д. 2, тел./факс: (343) 370-33-84, 370-21-69, 370-19-99; е-mail: info@radioel.ru, www.radioel.ru. ЭЛКОМ (Ижевск): г. Ижевск, ул. Ленина, 38, офис 16, тел./факс: (3412) 78-27-52, е-mail: office@elcom.udmlink.ru, www.elcompany.ru. ЭЛКОТЕЛ (Новосибирск): г. Новосибирск, м/р-н Горский, 61; тел./факс: (3832) 51-56-99, 59-93-31; е-mail: info@elcotel.ru, www.elcotel.ru. Издательство «Электроника инфо»: 220015, Республика Беларусь, г. Минск, пр. Пушкина 29Б. Teл./факс: +375 (17) 204-40-00. E-mail:electronica@nsys.by, www.electronica.by. Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory». Использование материалов возможно только с согласия редакции. При пере печатке материалов ссылка на журнал «Электронные компоненты» обязательна. Ответственность за достоверность информации в рекламных объявлениях несут рекламодатели. Индекс для России и стран СНГ по каталогу агентства «Роспечать» — 47298, индекс для России и стран СНГ по объединенному каталогу «Пресса России. Российские и зарубежные газеты и журналы» — 39459. Свободная цена. Издание зарегистрировано в Комитете РФ по печати. ПИ №77-17143. Издание зарегистрировано на Украине, свидетельство о государственной регистрации КВ№17602-6452 ПР. Дата выхода номера 08.06.2020 г. Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 6000 экз. Отпечатано в типографии «Премиум Пресс» 197374, Санкт-Петербург, ул. Оптиков, 4

электронные компоненты

Руководитель направления «Разработка электроники» и главный редактор Леонид Чанов редакторы: Владимир Фомичёв; Леонид Чанов;

АЦП и ЦАП

содержание

42 Вонг Чи Хенг, Лим Чиун Пин Быстрое обнаружение перегрузки по току с помощью сигма-дельта модуляторов с оптической изоляцией

ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ 48 Франческо ди Доменико Выбор топологии импульсных силовых каскадов

ДАТЧИКИ 52 Яцек Богуш Распознание направления движения на практике с помощью фотоэлектрических датчиков

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ И МИКРОПРОЦЕССОРЫ 55 Георгий Воронцов Беспроводные микроконтроллеры

СРЕДСТВА РАЗРАБОТКИ 62 Татьяна Колесникова Моделирование Джоулева нагрева и деформации печатной платы в программной среде COMSOL Multiphysics 5.4

www.elcomdesign.ru

ПАМЯТЬ 72 Джеки Ценг Новые возможности при использовании 1-Гбит памяти LPDDR3 DRAM от Winbond в приложениях AIoT и 8K ТВ

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ 76 Себастьян Лерус Повышение надежности имплантируемых медицинских устройств с помощью кремниевых конденсаторов 78 Игорь Никитин Некоторые особенности использования высокотемпературных резисторов

СВЧ 82 Михаил Ремизов Антенный массив с симметрирующим устройством, нечувствительный к металлическим плоскостям

СПРАВОЧНЫЕ СТРАНИЦЫ 87 Новинки месяца. Редакционный обзор 94 НОВЫЕ

КОМПОНЕНТЫ НА РОССИЙСКОМ РЫНКЕ

contents # 0 6 / 2 0 2 0

E L E C T R O N I C CO M P O N E N T S # 0 6 / 2020 MARKET 6 All about JTAG Technologies. Interview with Alexey Ivanov

EMC 9 Vladimir Derevyatnikov Match Modular EMI AC Line Filters to Application’s DC Supply Needs

PCB LAYOUT 12 Sergey Krasnov Transmission Line Termination

TESTING 16 Based on materials from Keysight Three Stages of Testing RF Devices by Measuring Input Signal’s Response 22 Mikhail Smirnov Why Skew-Matched Coaxial Cables Matter to Signal-Integrity Test and Measurement

EMBEDDED 30 Kirill Kareyev Adaptive Transport Control System Based on Modules of PKK Milandr

POWER SUPPLIES 34 Phil Davies Enabling Higher Power Delivery Network Performance with Fixed-Ratio Converters 38 Nazzareno Rossetti How to Shrink Your USB Type-C Battery Charger

ADC and DAC 42 Wong Chee Heng and Lim Shiun Pin Achieve Fast and Accurate Over-Current Detection Using Optically Coupled Sigma-Delta Modulators

48 Francesco Di Domenico All Semiconductor Switch Technologies Lead to Rome

SENSORS 52 Jacek Bogush Movement Recognition with Photoelectric Sensors

MICROCONTROLLERS and MICROPROCESSORS 55 George Vorontsov Wireless MCUs

DEVELOPMENT TOOLS 62 Tatyana Kolesnikova Simulation of Joule Heating and Deformation of PCBs in COMSOL Multiphysics 5.4

MEMORY 72 Jacky Tseng New Options when Using 1Gb LPDDR3 DRAM from Winbond for AIoT and 8K TV

PASSIVE 76 Sébastien Leruez Improving Reliability of Medical Implantable Devices with Silicon Capacitors 78 Igor Nikitin Some Specs of Using High-temperature Resistors

MICROWAVE 82 Mikhail Remizov Bent Balun Combined and AMC Backed Dipole Array Less Vulnerable to Nearby Metal Planes

REFERENCE PAGES 88 Newly-Designed Products. Monthly Editorial Review 93 NEW

COMPONENTS IN THE RUSSIAN MARKET электронные компоненты №06 2020

содержание

27 Vladimir Poludin Non-Destructive Internal Inspection of EEE Parts and Passive Components

DISCRETE POWER

JTAG-технологии от а до я

рынок

Хотя технология JTAG известна довольно давно, нередко звучит мнение, что она сводится к простой автоматизированной прозвонке. Мы надеемся, что интервью с Алексеем Ивановым, руководителем представительства JTAG в России, опровергнет это заблуждение.

– Начнем с самого начала. Расскажите о компании JTAG Technologies: ее численность, финансовые аспекты деятельности, модель бизнеса, выпускаемая продукция. – Численность компании на сегодняшний день – около 70 человек. Причем, рост рынка несущественно повлиял на ее численность. Увеличение персонала в определенные годы было вызвано лишь появлением новых рынков, требующих обслуживания на языках с учетом местных особенностей. Компания частная, что накладывает свой отпечаток на всю работу: отношение ко всем клиентам имеет личный, теплый оттенок. Наши российские клиенты тоже это чувствуют. При этом компания выросла из тестового подразделения известной корпорации Philips со штаб-квартирой в Нидерландах. Мы производим программное о б е сп еч е ни е д л я шир о ко го р я д а JTAG-технологий – не только для периферийного сканирования. Но, конечно, главное – это САПР для генерации тестов на основе периферийного сканирования. Кроме программной части, в состав нашей продукции входит все необходимое «железо» для подключения к тестируемым платам. Это гигантская номенклатура: одних только IO-модулей для тестирования DIMM-слотов – десятки вариантов. Все методы структурного тестирования, к которым относится внутри схемный адаптерный тест, «летающие»

www.elcomdesign.ru

пробники, периферийное сканирование, на сегодняшний день не конкурируют между собой. Они похожи между собой только тем, что тестируют «структуру» платы – цепи, выводы, отдельные компоненты. В остальном они не заменяют, а дополняют друг друга. Например, внутрисхемный тест позволяет хорошо проверить аналоговую электронику, но часто он бессилен в тестировании цифровой, где часто используются корпуса BGA, PoP, CSP и т. д. Пробники просто не могут «добраться» до узлов такой платы. А периферийное сканирование создано для цифровой электроники. С учетом того, что многие современные платы – смешанные, т. е. с аналоговой и цифровой частями, в большинстве случаев структурный тест должен представлять собой комбинацию нескольких методов. – Перейдем к российскому отделению компании. Каковы его численность и основные задачи? –  У н а с у ж е в т е ч е н и е м н о г и х лет в офисе работают два челове ка. Это связано с тем, что мы получаем мощную под держк у, с одной с тороны, от центра льного офиса, а с дру гой, – от нашего партнера «Остек-Электро». У офиса – две основные задачи. Первая – информирование российских заказчиков о нашей продукции и ее обновлениях, о технологии периферийного сканирования и тестопригодном проектировании. Вторая задача – техническая поддержка, «мост» между российскими клиентами и разработчиками софта и моделей в Нидерландах. Наше ПО очень гибко подстраивается под нужды клиентов. У нас имеется личный контакт с руководством фирмы. Российские заказчики не являются исключением – мы всегда готовы добавлять для них что-то новое в софт или аппаратные средства. Уникальные конференции пользователей являются предметом нашей гордости. Есть международные мероприятия, которые проводятся в Европе, а есть конференции для России и постсоветских стран. Здешняя конференция лучше, чем заграницей: у нас

больше выступлений пользователей и примеров решения технических проблем с тестированием. Первую конференцию мы проводили в течение одного дня, а последующую продлили еще на день. Спасибо нашим клиентам за их отзывчивость. В этом году из-за тотального карантина нам придется перенести это мероприятие с начала лета на осень, но надеюсь, все получится. – Что представляет собой интернетмагазин JTAG Live и какое отношение он имеет к вашему представительству? – Семейство JTAG Live – продукция нашей компании. 10 лет назад (кстати, в прошлом году был ее юбилей) мы представили на рынке не только профессиональные и автоматизированные средства, какими являются САПР JTAG ProVision и промышленные тестеры, но и более простые в использовании экономичные системы. Потребовалась линейка продукции для лабораторных нужд, для отладки тестирования прототипов. Так появилось семейство JTAG Live, которое имеет к нам прямое отношение. Что касается магазина, то он, действительно, есть, но пока что в России и странах СНГ он не работает напрямую. Недавно он приобрел нынешний вид, но пока можно только сформировать заказ, который отправится на ручную обработку дистрибьютору. Однако любой из продуктов JTAG Live можно приобрести на территории России. – Кто является основными партнерами компании и основными клиентами в России? Назовите какие-нибудь крупные проекты, в которых Вам доводилось участвовать. – Отмечу недавнее начало сотрудничества с Технопарком «Сколково», а именно с площадкой SKOLKOVO. TOOLS. Мы установили станцию периферийного сканирования в центре коллективного пользования, доступ к которой имеют не только резиденты Сколково, но и нерезиденты. У нас много стратегических партнеров. Думаю, в этом году в их числе о к а же тс я н е ско л ько н о в ы х п ар т

неров, отношения с которыми мы не смогли углубить из-за пандемии коронавируса. Мы давно сотрудничае м с PCB Te chnolo g y, Promwad, National Instruments. Имеются партнеры и среди отечественных разработчиков ЭКБ: ПКК «Миландр», «Цифровые решения» и НИИЭТ. Кстати, в компании «Миландр», которая является нашим крупным клиентом, мы реализовали уникальный проект в России – аппаратную верификацию BSDL-моделей для компонентов с поддержкой периферийного сканирования. Отдельно отмечу Самарский университет, где на базе наших про граммно-аппаратных средств создана лаборатория для обучения периферийному сканированию ст удентов и инженеров приборостроительных предприятий. У нас с этим университетом очень теплые отношения. В том же направ лении мы с танем работать с МИРЭА. У нас разные клиенты: компании из ВПК, авиакосмического сегмента, производители телекоммуникационного оборудов ания. Несколько к р у п н ы х з а к а зч и к о в – и з с ф е р ы электроники для нефтегазовой отрасли. Любят наше оборудование и производители промышленных контроллеров, например для энергетики, где надежность работы оборудования, а, следовательно, и требования к тестированию зашкаливают.

рование для теста платы. Достаточного того, чтобы «центральный», или управляющий, компонент был с периферийным сканированием, а окружающие его кластеры, подключенные к выводам этого компонента, тестируются за его счет и интерфейса JTAG. Если на плате несколько управляющих компонентов или крупных СБИС, желательно, чтобы все они имели регистры периферийного сканирования и их JTAG-порты были выведены на внешний разъем для подключения тестера. Но даже если на плате имеется микроконтроллер, не поддерживающий IEEE1149.1, мы предлагаем программные средства CoreCommander, позволяющие в целях тестирования управлять ядром микросхемы через JTAG-порт, SWD-интерфейс и т. д. – JTAG-тестирование используется только в цифровых микросхемах или и в микросхемах других типов – аналоговых, смешанных сигналов, в силовых преобразователях? – Стандарт IEEE 1149.1 – чисто цифровой. Во время тестирования мы оперируем логическими уровнями. Даже если микросхема является цифро-аналоговой, ячейки сканирования чаще всего реализованы только на цифровых выводах. Правда, в стандарте IEEE 1149.6, который появился спустя 15 лет после основного, описана определенная аналоговая составляющая. Он позволяет тестировать высокоскоростные цифровые линии, даже если сигнал проходит через конденсатор. К сожалению, попытка развить стандарт IEEE 1149.4 для аналогового тестирования потерпела неудачу по ряду причин. В настоящее время не выпускается ни один компо-

электронные компоненты №06 2020

рынок

– Как организована техническая поддержка? Ее оказывают специалисты вашего отделения или партнеры – «Остек» и др. компании? –  С н ач а л а в с я п о д д е р ж к а ш л а через нас. За прошедшие несколько лет компания «Остек-Электро» сделала большой шаг в плане поддержки. В настоящее время мы больше занимаемся трудными вопросами. Например, у какой-то микросхемы неправильно указан регистр периферийного сканирования в BSDL-описании, и требуется очень тонкая работа по исправлению, или нужно тестировать плату со сложной схемой подачи питания с использованием компонентов, поддерживающих периферийное сканирование. В настоящее врем я наш инженер решает проблему перевода двухпроводного интерфейса JTAG по новому стандарт у I E E E 1149. 7, к о т о р ы й в к л ю ч е н по умолчанию, в обычный четырехпроводной по 1149.1 на плате одного из заказчиков. Часто приходится помогать разработчикам цифровой ЭКБ в соз дании коррек тных BSDLмоделей для микросхем с поддержкой периферийного сканирования, которых становится все больше.

– Насколько широко распространено периферийное сканирование? Целесообразна ли, например, прозвонка, если часть микросхем платы не содержит регистры JTAG? – Практически все современные сложные импортные цифровые микросхемы, например ПЛИС, процессоры, микроконтроллеры, поддерживают периферийное сканирование. Новые российские цифровые микросхемы в своем большинстве тоже поддерживают стандарт IEEE 1149.1. Резкий переход на ЭКБ с этой поддержкой произошел за последние пять лет. Самые востребованные и широко используемые российские микросхемы теперь имеют регистры сканирования. Под держ к а с т ан д ар т а п ер и ф е рийного сканирования должна быть, конечно, описана в док ументации на микросхему. Кроме того, чтобы работать с регистрами сканирования в любом режиме (ручном или автоматическом), требуется BSDL-модель виде файла. BSDL – это VHDL-подобный язык описания архитектуры периферийного сканирования, использование которого предусмотрено также стандартом IEEE 1149.1. Я рекомендую, чтобы инженеры, которые собираются разработать тестопригодную цифровую плату, проверяли отметку в документации о поддержке микросхемой стандарта IEEE 1149.1 и наличие у ее фирмы-разработчика BSDL-модели. Вкратце остановлюсь на поддержке периферийного сканирования микросхемами тестируемого изделия. Часть из них, к которым относится память, простая логика, датчики с интерфейсом I2C или SPI, не должны поддерживать скани-

рынок

нент в мире с поддержкой этого стандарта. Тем не менее мы развили свой программно-аппаратный инструментарий до такого уровня, что многие аналоговые узлы тестируемых плат можно проверить как минимум косвенно. Для этого имеются программные среды JTAG Functional Test, CoreCommander, аналоговые измерительные каналы в контроллерах периферийного сканирования. Все вместе они позволяют протестировать значительную часть аналоговых схем на плате без периферийного сканирования. У нас очень мощная интеграция с оборудованием и ПО National Instruments – можно в рамках одной тестовой программы на LabVIEW проверять все, начиная с высокочастотных сигналов и заканчивая цифровыми цепями. Микросхемы питания – отдельный разговор. Протестировать их корректность установки до включения питания (а именно этого хотят многие инженеры) можно только с помощью внутрисхемного теста с использованием адаптера или «летающих» пробников. В такие устройства логик у периферийного сканирования, конечно, не внедряют. И в этом случае мы приходим к интеграции тестовых методов.

– Расскажите о возможностях технологии граничного сканирования. – В своей работе мы часто сталкиваемся с недооценкой возможностей периферийного сканирования. Бывает, инженеры полагают, что JTAG-тест – это именно прозвонка связей между микросхемами с поддержкой периферийного сканирования. Отсюда делается вывод, что если на плату установлена всего одна JTAG-микросхема, то нет смысла ее сканировать. На практике же за счет наличия хотя бы одного компонента с поддержкой периферийного сканирования на плате можно протестировать очень многое: связи с ОЗУ, ПЗУ, внешними разъемами, логикой и т. д. При этом диагностика дефектов является очень подробной. Конечно, многое зависит от тестопригодности изделия. – Перечислите, пожалуйста, продукцию компании, упомянув основные характеристики. Речь идет об аппаратном и программном обеспечении. – Сложно в дву х словах описать весь ряд продукции, поскольк у у нас имеются инструменты, начиная с самых примитивных и ручных и заканчивая промышленными, высоконадежными и в высокой степени автоматизированными. Программное обеспечение – уникальное в своем роде. Оно считывает любые форматы

www.elcomdesign.ru

данных САПР на плат у, определяет функциональные модели для ее компонентов из своей библиотеки. На основе этой информации ПО автоматически генерирует тест межсоединений, тест связей с памятью и другими кластерами, приложения для программирования микросхем платы. Но имеются и простые инструменты – без импорта нетлистов и библиотек, когда требуется прозвонить между собой два вывода микросхемы, что делает как раз JTAG Live. Все наши программные средс тва можно всегда дополнить мощным инструментом JTAG Functional Test, основу которого составляет язык программирования Python. На нем пишутся любые дополнительные тесты к автоматически сгенерированным. К еще одному широкому пласту программной продукции относятся модули CoreCommander для большинства современных архитектур ядер процессоров и микроконтроллеров. Эти модули позволяют создавать тесты без помощи периферийного сканирования. На основе огромной номенклатуры аппаратных средств можно построить тестер с любым количеством JTAGпортов, работающих одновременно и синхронно, и с любым количеством тес товых каналов ввода/вывода – не только цифровых, но и аналоговых. Один порт JTAG на тестируемом изделии может работать в режиме периферийного сканирования, второй в то же время – в режиме эмуляции, что позволяет осуществлять тестирование межсоединений этих JTAG-цепочек. Скажу не без гордости, что с помощью своего оборудования мы решаем абсолютно любые задачи, связанные с JTAGтестированием, «выжимая» из этой технологии по максимуму. – Как Вы видите развитие всей в целом компании JTAG Technologies и, в частности, ее российского бизнеса? Намеревается ли компания расширять круг партнеров и открывать офисы в других городах? – Текущая ситуация не требует расширения офисов в городах. Наша компания присутствует в С.-Петербурге и Москве. Эти города имеют транспортное сообщение со всей Россией, чего пока достаточно. Замечу, что география наших клиентов охватывает города от Калининграда и Минска до Красноярска. Если какой-то удаленный регион наберет такую критическую массу заказчиков, что потребуется наше представительство, вполне возможно, мы расширим поддержку. Е с л и б у д у щ и й б и з н е с J TA G Technologies в западных странах пред-

с тавляетс я ровным, размеренным и основанным на постоянной огромной базе крупных и лояльных нам заказчиков, то в России радиоэлектронная отрасль динамична. Многие компании начинают интересоваться тестированием цифровых изделий. Импортозамещение ЭКБ поначалу было своего рода помехой развитию технологии, поскольку не было отечественных микросхем с периферийным сканированием , а теперь их много, и спрос на станции тестирования растет. Фактор роста мы видим именно в постоянном появлении новых предприятий, отраслей, продукции. Мы уверены в том, что совместно с партнерами полностью удовлетворяем нужды новых и давнишних клиентов. Доказательством тому служит местное сообщество пользователей. – Какие тенденции, на Ваш взгляд, будут определять развитие электроники в ближайшие несколько лет, и как они скажутся на развитии технологии граничного сканирования? – Тотальная цифровизация городов, транспорта, даже сельского хозяйства требует все большего количества контрольной аппаратуры, а она, в основном, цифровая. Я ожидаю возрастания роли обработки больших данных, для которой понадобятся вычислительные приборы. Их тестирование можно осуществлять только с помощью периферийного сканирования. Думаю, многие цифровые узлы будут укомплектовываться в чипы, системына-кристалле, системы-в‑корпусе. Уже сейчас заметен «переход» периферийного сканирования «внутрь» SiP, в тестирование этих компонентов внутри по аналогии с платами. «Миландр», например, для этого использует наши системы. Тенденция будет усиливаться – возрастает роль периферийного сканирования для тестирования составных компонентов. Кроме того, увеличивается также количество встроенных инструментов в микроконтроллерах и ПЛИС. С их помощью можно тестировать не только цифровые цепи, но и, например, измерять напряжение и т. д. Для корректной работы с этими встроенными инструментами недавно появился стандарт IEEE 1687, который определяет доступ к ним через всем известный JTAG-интерфейс. Это огромное поле деятельности для наших средств. Кроме того, придется разрабатывать для них автоматизированный софт. В целом, будет повышаться значение внутрисистемного теста, к которому относятся JTAG-технологии. Интервью подготовил Леонид Чанов

Модульные сетевые ЭМП-фильтры Владимир Деревятников, инженер В оборудовании, получающем питание от сетей переменного тока, как правило, используются модульные дроссельные сетевые фильтры, которые интегрированы в разъем или установлены на печатную плату рядом с преобразователем питания. В первую очередь, такие решения применяются в профессиональном промышленном, медицинском и ИТ-оборудовании. В его состав входят AC/DC-преобразователи, или источники питания, которые тоже монтируются в шасси, стойки или на печатные платы. Источник питания как самостоятельный компонент системы должен отвечать нормативным требованиям стандартов EN55011/EN55032 к уровню кондуктивных и излучаемых помех. Однако при этом необходима дополнительная фильтрация.

Модульные фильтры, облегчающие совместимость

Как выбрать оптимальный внешний модульный фильтр, который позволяет избавиться от помех? Давайте сначала рассмотрим схему типового коммерческого фильтра и попытаемся установить вклад каждого ее компонента в шум (см. рис. 1). Конденсатор CX ослабляет синфазный шум, сигналы и всплески, которые возникают при быстрых изменениях тока в преобразователе. Конденсаторам присваиваются обозначения X1, X2 и X3 в зависимости от их устойчивости к изменениям напряжения в переходных процессах линий переменного тока. Индуктивность L представляет собой синфазный дроссель с двумя фазированными обмотками. На пути синфазного шума, возникшего при быстром изменении напряжения

Рис. 1. В типовом модульном ЭМП-фильтре используются конденсаторы CX для ослабления дифференциального шума, а также комбинация дросселя с конденсатором, позволяющая уменьшить синфазный шум

в преобразователе и поступающего из линии переменного тока и нейтрального провода в заземление, установлен дроссель с большим импедансом; при этом каждый конденсатор CY перенаправляет шумовой ток в землю. Ток, протекающий через две обмотки дросселя в нормальном режиме, обеспечивает гашение поля в сердечнике так, что при высоких значениях импеданса отсутствует риск магнитного насыщения. Из-за несовершенной обмотки дроссели обладают небольшой индуктивностью рассеяния, которую можно представить как отдельную последовательную индуктивность, уменьшающую дифференциальные помехи. В отличие от конденсатора CX , емкость которого может быть любой в допустимых пределах, значения двух конденсаторов CY ограничены требованиями к току утечки на землю. Конденсаторы типов Y1, Y2, Y3 и Y4 выбираются в зависимости от номинального рабочего напряжения и напряжения в переходном процессе. Ток утечки через конденсаторы типа Y создают потенциальную проблему при использовании их в качестве защитного барьера

между линией переменного тока, нейтральным проводом и заземлением. При нарушениях защитного заземляющего соединения металлической конструкции оборудования напряжение корпуса увеличивается до сетевого напряжения через конденсатор Y, что может вызвать удар электрическим током. Значения емкости конденсаторов Y ограничены таким образом, чтобы не допустить протекания этого тока через корпус, и выбираются в соответствии с действующими стандартами. Предельные значения токов утечки через емкости находятся в диапазоне от нескольких десятков мА для промышленного оборудования до значений меньше 10 мкА, если речь идет о медицинских приложениях. Как правило, величина сопротивления R1 составляет 1 МОм. Этот резистор предназначен для протекания разрядного тока от CX в тех случаях, когда подача питания резко прекращается, а нагрузка не позволяет отвести этот разряд, что приводит к появлению опасного напряжения на выводах разъема. Стандарт IEC 62368–1 для оборудования ИТ-систем и стандарт, обеспечивающий безопасную эксплуатацию мультимедийного

электронные компоненты №06 2020

Элек тромагнитная совмес тимос ть

Разработчикам со стажем хорошо известно, что сертификат по электромагнитной совместимости (ЭМС) для конечных изделий нельзя гарантированно получить, используя в системе только совместимые компоненты. На то имеются разные причины. Например, испытания на совмес тимос ть AC/DC-преобразователей, применяемых в оборудовании, осуществляются с учетом импеданса линии переменного тока, выходной нагрузки, длины кабелей и способа их прокладки, а также места размещения. При тестировании конечного изделия с установленным в него AC/DC-преобразователем все эти параметры отличаются от условий испытаний, что ухудшает элек тромагнитную совместимость. Элек тромагнитные помехи (ЭМП), излучаемые другими компонентами и воздействующие на силовой кабель, повышают уровень кондук тивных помех.

Элек тромагнитная совмес тимос ть

Рис. 2. Распространенные ЭМП-фильтры IEC320-C14 с предохранителем, предназначенные для крепления на панели

оборудования, требуют, чтобы конденсатор разряжался через сопротивление R1 до напряжения величиной менее 60 В спустя 2 с при CX > 300 нФ. Если CX < 300 нФ, напряжение может быть больше. У оборудования, доступ к которому имеет только обученный персонал, допустимые уровни напряжения выше. Д р у г и е с т а н д а р т ы о тл ич а ю т с я от упомянутых выше. Например, IEC 60601–1 для медицинского оборудования требует, чтобы разряд до величины менее 60 В происходил за 1 с, но не предусматривает каких-либо требований, если CX не превышает 100 нФ. Стандарт IEC 62368–1 требует, чтобы величина отклонения от номинального значения сопротивления, обеспечивающего устойчивость приложения к воздействию напряжения в переходном процессе, не превышала 10%, если этот резистор установлен перед предохранителем. Таким образом, к R1 предъявляются очень строгие требования. В некоторых приложениях мощность, рассеиваемая на резисторе R1 в нормальных условиях, может ограничивать его соответствие ограничениям на потери в режиме ожидания или в отс у тс твие нагру зки. Предохранитель на рисунке 1 можно з а к л ю ч и т ь в м о д у л ь н ы й ф и л ьт р. В первую очередь, речь идет о фильтре, который монтируется на панель, например фильтр распространенного типа IEC320‑C14 (см. рис. 2). В коммерческих приложениях обычно применяется один предохранитель. Обеспечивая соответствие стандартам, он облегчает требования к установленным за ним компонентам, например к резистору R1. Некоторые приложения, например медицинские устройства и ИТ-оборудование класса II, требуют использования предохранителей в линиях переменного тока и нейтральных проводах во избежание случайного соединения, когда предохранитель окажется не в фазовой, а в нейтральной линии. Однако эти устройства, защищающие проводники от нескольких

www.elcomdesign.ru

Рис. 3. Характеристика ЭМП источника питания AC/DC с собственным фильтром находится в хорошем соответствии с нормативными требованиями

высоких токовых нагрузок, не гарантируют быстрого срабатывания в аварийных случаях, что создает пожароопасные условия. Недостаток защиты с помощью двух предохранителей в том, что при протекании экстратока между линией питания и нейтральным проводником может сработать только предохранитель нейтрали. При этом возникает впечатление, что оборудование обесточено. Но это не так – все внутренние соединения остаются под напряжением. Выбор фильтра

Механическая конструкция фильтра – отправная точка в процессе выбора. Согласно требованиям IEC, входные фильтры выпускаются под винтовое крепление или с защелками, а их конструкция предусматривает использование переключателя, одного, двух или ни одного предохранителя в зависимости от нужд приложений. Номинальный ток фильтра C14 этого типа составляет 10 А, а фильтра C20–16 А; при этом номинальный ток фильтров для крепления на монтажные панели превышает 20 А. Монтируемые на панели фильтры с экранированием всех шести сторон крепятся на проводящую заземленную металлическую конструкцию, обеспечивая очень эффективное ослабление ЭМП. Для медицинского оборудования выпускаются фильтры всех типов; при этом конденсаторы Y не используются, чтобы уменьшить максимальный ток утечки до 5 мкА. Это значит, что затухание в синфазном режиме сократилось и может потребоваться компенсация, например с помощью каскада включенных фильтров. Номинальный ток фильтра можно легко рассчитать, зная мощнос ть нагрузки, наименьшее входное напряжение и коэффициент мощности (КМ) нагрузки. Например, при мощности нагрузки 200 Вт и КМ равном 0,9 при 90 В AC потребляемый ток составляет 200 Вт/(0,9∙90 В) = 2,47 А. В этом случае

можно выбрать фильтр с номинальным током 3 А. Для того чтобы установить уровень ослабления электромагнитных помех внешним фильтром, измеряется эффективность системы в его отсутс твие, пос ле чего рассчитываются параметры фильтра в соответствии с требованиями. Кривые затухания, представленные в технических описаниях фильтров, дают представление об их харак теристиках, но следует учитывать, что они были получены при определенных условиях – как правило, при использовании источника помех с 50‑Ом выходным сопротивлением и 50 ‑Ом нагрузки. И хотя источник переменного тока можно стандартизовать с помощью эквивалента сети (LISN), на практике нагрузка, скорее всего, будет существенно отличаться от той, которая предусматривалась условиями испытаний. Применение модуля фильтра, установленного последовательно внутрен-

Рис. 4. Характеристики ЭМП модульного фильтра XP FCSS06SFR в дифференциальном и синфазном режимах

измерения в дифференциальном режиме, а сплошная – в синфазном. Комбинированный результат показан на рисунке 5. Видно, что на частотах вблизи 1 МГц фильтр позволяет уменьшить помехи на ожидаемую величину, но в диап а з о н е в ы ш е 10 М Гц р е з у л ьт а т ы скромнее и не отвечают ожиданиям. Это значит, что модульный фильтр не «видит» на этих частотах, что линия согласована с нагрузкой на 50 Ом. Следовательно, необходимы повторные измерения, чтобы подтвердить соответствие на ЭМС. Выводы Рис. 5. Из характеристик ЭМП источника питания AC/DC и внешнего фильтра (см. рис. 3–4) видно, что суммарное затухание на частотах выше 10 МГц меньше ожидавшегося и необходимо провести дополнительные измерения

нему фильтру в источнике питания AC/DC, может привести к появлению резонансов и соответствующему усилению ЭМП на критически важных частотах. На рисунке 3 в качестве иллюстрации рассматривается кривая ЭМП типового AC/DC-преобразователя PBR500PS12B от XP Power, который работает при напряжении 230 В АС и рассчи-

Новости технологий

Элек тромагнитная совмес тимос ть

тан на мощность 180 Вт. График в полной мере соответствует требованиям стандарта EN 55032 класса Б к предельному уровню излучения для квазипикового детектирования. Затем в линию переменного тока был установлен фильтр FCSS06SFR от XP Power, и снята характеристика затухания (см. рис. 4). Пунктирная линия соответствует результатам

Обеспечение соответствия на ЭМС на самых ранних этапах разработки позволяет избежать дорогостоящих отказов на заключительной стадии испытаний. С этой целью на входе переменного тока не следует устанавливать большие модульные фильтры, использование которых увеличивает стоимость решения и не дает ожидаемых результатов, но рекомендуются испытания и измерения, чтобы корректно определить параметры фильтра для приложения.

| МТС выпустила комплект оборудования для разработки IoT-устройств |

МТС выпустила первый в России Development Kit для создания прототипов устройств, работающих в сети NB-IoT. Комплект позволит разработчикам интернета вещей упростить создание образцов IoT-устройств и ускорить вывод IoT-продуктов на рынок. NB-IoT Development Kit позволяет создавать датчики, которые передают небольшие объемы данных и требуют высокой энергоэффективности. Этот комплект будет наиболее востребован у компаний, разрабатывающих устройства для сегментов недвижимости, ЖКХ, безопасности, умного города и сельского хозяйства. Он также будет интересен ВУЗам, стартапам и любителям электроники. Набор позволяет быстро освоить работу с сетью NB-IoT благодаря открытому коду, доступу к платформе интернета вещей и совместимости с платформой Arduino. Поскольку комплект от МТС предназначен для работы с сетью NB-IoT, в его состав входят не только платы и датчики, как в наборах производителей оборудования, но и SIM-чип NB-IoT, безлимитный трафик на год и готовая учетная запись на облачной IoT-платформе МТС. При этом клиенту нет необходимости отдельно платить за связь или аккаунт. Оборудование поддерживает режим передачи данных по протоколу CoAP и в режиме NIDD (Non-IP Data Delivery) через SCEF, позволяя инженерам работать через единый интерфейс, не занимаясь идентификацией и определением правил обмена данными между устройством и сервером и обеспечивая максимальную энергоэффективность. В аппаратную часть входит плата с микроконтроллером и радиомодулем, модуль GPS/GLONASS, программатор ST-Link, датчик температуры и акселерометр, набор антенн и кабелей.

www.russianelectronics.ru

Новости технологий

| Обнародована система команд процессоров «Эльбрус» |

Пакет документов включает описание ассемблера, команд семейства кристаллов, платформы и фирменного компилятора LCC. В пакет вошло руководство для портирования или оптимизации программных продуктов для решений на базе «Эльбрусов» на языках C и C++, а также описание оптимизации и техники повышения эффективности кода.

www.russianelectronics.ru

Керамические конденсаторы до 100мкф Синфазныe дроссели на ток 10 А

электронные компоненты №06 2020

Согласование линий передачи Сергей Краснов, инженер

Т о п о л о г и я п е ч ат н ы х п л ат

В статье [1] было показано, что импеданс соединительных проводников является наиболее критичным показателем высокоскоростных схем на печатных платах. К сожалению, импеданс источника сигнала, как правило, ниже импеданса линии передачи (10–35 Ом), что осложняет решение задачи по передаче энергии и в большинстве случаев приводит к отражениям и электромагнитному излучению. Распространяющийся по линии передачи сигнал отражается в тех ее участках, где меняется импеданс, что сказывается на целостности сигнала. Понимание причин возникновения отражений и устранение их источника обеспечивает надежную работу устройства. В этой публикации мы рассмотрим вопросы согласования линий передачи.

В идеальном случае энергия, поступающая от источника сигналов (выходного каскада цифровой ИС), проходит по линии передачи печатной платы и полностью поглощается нагрузкой. Однако если она поглощается не полностью, оставшаяся часть отражается на соединительных проводниках и возвращается к своему источнику. Вместе с поступающей отраженная энергия создает с тоячую волну, ос лабляет или усиливает сигнал, вызывая звон. На основной частоте сигнала может появиться резонанс или гармоники, из-за которых возникают многочисленные высокочастотные колебания и, как следствие, излучаются электромагнитные помехи. Так происходит, когда задержка при прохождении сигнала в оба конца межсоединения превышает длительность переднего фронта импульса. Даже если многослойная печатная плата была разработана с учетом контролируемого импеданса, его величина может меняться, что обусловлено емкостью затвора, ответвлениями, неиспользуемыми частями переходных отверстий и тестовыми контактными площадками. К другим причинам изменения импеданса относятся изменение диэлектрической проницаемости в переходных отверстиях, разность фаз в дифференциальной паре, а также щели в тракте обратного тока. Как правило, уровень отраженного шума не должен превышать 10% от размаха напряжения, но это зависит от допусков. При более жестких условиях данный параметр не может превышать 5%. Известно немало методов согласования линий передачи, но наиболее общие из них относятся к трем видам: согласование с помощью последовательного резистора, или т. н. «последовательное согласование»; оконечное согласование; согласование дифференциальных пар.

www.elcomdesign.ru

Последовательное согласование

Последовательное согласование используется для двухточечных соединений с одной нагрузкой на каждую цепь. Это согласование хорошо подходит для электрически коротких проводников и применяется для такого разветвления нескольких нагрузок веером от общего источника сигналов, при котором отсутствует воздействие на другие цепи (см. рис. 1). Б лагод ар я п о с л е до в ате льн о м у согласованию замед ляетс я врем я

Рис. 1. Последовательное согласование

нарас тания и спада импульсов, а также уменьшается звон (положительные или отрицательные выбросы) формирователей тактовых сигналов. С помощью делителя напряжения, образованного импедансом источника сигналов, пос ледовательным согласующим сопротивлением и линией передачи, в нее поступает только половина амплит уды напряжения источника сигналов. Достигнув нагрузки, этот импульс мгновенно отражается в проводник. Отраженный импульс суммируется с исходным, в результате

Рис. 2. Согласование выходного каскада ПЛИС Spartan 6 с линией передачи (окно планировщика iCD Termination)

передачи. Этот звон, представленный также положительными и отрицательными выбросами, стал значительно меньше после согласования линии передачи с помощью последовательного резистора величиной 18,7 Ом (синим цветом). Оконечное согласование

Многоточечным шинам требуется согласование с помощью параллельно установленных резисторов или оконечное согласование, чтобы предотвратить отражения на концах линии передачи. Например, управляющие сигналы запоминающих устройств DDR3/4 должны проходить как можно ближе к выводам памяти, а в конце линии передачи необходимо использовать параллельные согласующие резисторы (см. рис. 4). Значения этих сопротивлений должны в два раза превышать импеданс линии передачи, поскольку они установлены параллельно, если смотреть со стороны источника сигналов. Для последовательного соединения сигнального проводника с каждым запоминающим устройством можно использовать короткие ответвления.

При этом следует учитывать, что чем они длиннее, тем выше емкость, которая наряду с паразитной входной емкостью вывода приемника ухудшает согласующую цепь. На рис унке 4 показана типовая сквозная топология DDR3, в которой согласующие резисторы установлены рядом с конечной нагрузкой. Кроме того, проводник сигнала адресации соединен с выводами приемника без помощи ответвлений. В этом идеальном случае отражения не возникают, что видно по характеристикам сигналов. Согласование дифференциальной пары

Достигнув открытого конца дифференциальной линии, сигнал «натыкается» на высокий импеданс и отражается. Чтобы уменьшить отражения, на конце пары, как правило, устанавливается резистивная нагрузка, которая обеспечивает согласование дифференциального импеданса линии передачи. Однако согласование дифференциальной пары с помощью одного резистора (см. рис. 5а) действует в отношении

Т о п о л о г и я п е ч ат н ы х п л ат

чего напряжение сигнала становится полным, т. е. таким, которое требуется нагрузке. Отраженный импульс распространяется в сторону источника сигнала. Достигнув последовательного согласующего сопротивления, импульс «видит» последовательный резистор величиной 24 Ом и импеданс источника 26 Ом, что в сумме дает 50 Ом. Поскольку импеданс линии передачи тоже 50 Ом, рассогласование отсутствует, и отражения не возникают. Сигнал полностью поглощается согласующим резистором и импедансом источника, благодаря чему предотвращается звон. В приемник, установленный в самом конце проводника, поступает сигнал почти с идеальным фронтом. Но если бы приемник был установлен посередине линии передачи или рядом с резистором, в него сначала поступила бы половина сигнала, а затем весь сигнал. По этой причине последовательное согласование применяется при наличии только одного приемника или нагрузки, и этот приемник устанавливается в самый конец линии передачи. Чтобы определить величину последовательного согласующего резистора, необходимо вычесть импеданс источника сигналов с помощью IBIS-модели микросхемы. Результатом вычитания этого импеданса из характеристического импеданса проводника является требуемая величина последовательного согласующего резистора (см. рис. 2). При использов ании выходного каскада LVCMOS на 12 мА/1,8 В ПЛИС Spartan 6 в предыдущем примере необходим последовательный резистор величиной 18,7 Ом для согласования источника сигнала с 51,67‑Ом проводником на внешнем слое. Эта величина была получена с помощью модели IBIS и п ланир овщика iCD Termination. На рисунке 3 показан звон (красным цветом) в несогласованной линии

а)

б)

Рис. 3. Звон стал существенно меньше после добавления в схему последовательного согласующего резистора (симуляция в HyperLynx)

электронные компоненты №06 2020

Т о п о л о г и я п е ч ат н ы х п л ат

Рис. 4. Сквозная топология DDR3 с согласованием за конечной нагрузкой (симуляция в HyperLynx)

только дифференциального, а не синфазного сигнала. Любой синфазный сигнал переходного процесса, распространяющийся по дифференциальной паре, отражается в направлении источника из-за большого импеданса в ее конце. Генерируемый шум можно увидеть в верхней и нижней частях глазковой диаграммы. Согласование дифференциальной пары не действует на синфазные сигналы – они продолжают отражаться от кон-

цов линии передачи. Поскольку согласующий резистор никогда в точности не соответствует импедансу источника сигналов, имеется некоторое постоянное рассогласование. Из-за любой асимметрии в дифференциальной паре ее сигнал преобразуется в синфазный. Дифференциальная пара с отводом от средней точки позволяет согласовать и дифференциальные, и синфазные сигналы, что хорошо видно по глазку диаграммы (см. рис. 5б).

а)

б)

Рис. 5. а) согласование дифференциальной линии: а) с помощью одного резистора; б) с отводом от средней точки

www.elcomdesign.ru

На заметку • Импеданс источника сигналов (выходного каскада цифровой ИС), как правило, ниже импеданса линии передачи, что приводит к появлению отражений и к электромагнитным помехам. • Всякий раз, когда сигнал проходит участки с меняющимся импедансом, возникают отражения, которые влияют на целостность сигнала. • Причинами изменения импеданса являются емкость затвора, ответвления, неиспользуемые части переходных отверстий, тестовые контактные площадки, вариации диэлектрической проницаемости материалов, разность фаз в дифференциальной паре, а также щели в тракте обратного тока. • Последовательное согласование используется для двухточечных соединений с одной нагрузкой на каждую цепь. Оно эффективно в случае электрически коротких проводников и применяется для разветвления нескольких нагрузок веером от общего источника сигналов. • Благодаря последовательному согласованию замедляется время нарастания и спада импульсов, а также уменьшается звон (положительные или отрицательные выбросы) формирователей тактовых сигналов. • Последовательное согласование применяется при наличии только одного приемника или нагрузки, которые устанавливаются в самый конец линии передачи. • Требуемая величина последовательного согласующего резистора рассчитывается путем вычитания импеданса источника сигналов из характеристического импеданса проводника. • Многоточечным шинам необходимо согласование с помощью параллельно установленных резисторов или оконечное согласование, чтобы предотвратить отражения на концах линии передачи. • Значения сопротивлений при оконечном согласовании должны вдвое превышать импеданс линии передачи, поскольку они установлены параллельно, если смотреть со стороны источника сигналов. • Чтобы уменьшить отражения, на конце пары, как правило, устанавливается резистивная нагрузка, которая обеспечивает согласование дифференциального импеданса линии передачи. • Согласование дифференциальной пары с помощью одного резистора действует только в отношении дифференциального, а не синфазного сигнала. • Образовавшиеся синфазные сигналы отражаются от концов линии передачи. • Дифференциальная пара с отводом от средней точки позволяет согласовать и дифференциальные, и синфазные сигналы. Лучше всего применять этот способ в тех случаях, когда у источника сигналов низкий импеданс, а линия передачи имеет большую длину. • Даже в коротких линиях передачи имеются отражения, но они перекрываются передними и задними фронтами импульсов и потому не вызывают проблем.

Лучше всего применять этот способ в тех случаях, когда у источника сигналов низкий импеданс, а линия передачи имеет большую длину. Благодаря такому подходу смещение по постоянному току меньше. Блокировочный конденсатор по постоянному току позволяет отрегулировать уровень балансируемых цепей постоянного тока, которые, например, используются для тактовых сигналов, кодирования 8B10B и т. д. Когда требуется согласование?

Даже в коротких линиях передачи имеются отражения, но они перекрываются передними и задними фронтами импульсов и потому не вызывают проблем. Однако даже при использовании проводника малой длины может потребоваться согласование во избежание звона в тех случаях, когда нагрузка имеет емкостной характер или большую индуктивность. Как правило, согласование необходимо, если длина проводника превышает 1/6 электрической длины переднего фронта. Как бы то ни было, тракты критически важных и обратных сигналов всегда должны быть как можно короче. Литература 1. Сергей Краснов. Согласование линий передачи// Электронные компоненты. №3. 2020.

События рынка

| В России AI и Big Data лидируют по темпам роста |

www.russianelectronics.ru

Новости технологий

| Ускорится отказ от технологий мобильной связи 2G и 3G |

По мнению специалистов компании Ericsson, отказ от технологий мобильной связи 2G и 3G ускорится после пандемии коронавируса. Операторы будут переводить в сети LTE передачу данных и голосовых вызовов и начнут совместное использование частот для технологий 4G и 5G, прогнозирует шведский производитель телекомоборудования Ericsson. В настоящее время операторы вынуждены пересматривать стратегии – технологии 2G и 3G потеряют актуальность раньше, чем прогнозировалось. Закат 2G и 3G будет происходить на фоне замены используемых технологий на выделенных радиочастотах с целью предоставления услуг мобильного интернета и передачи голоса на базе сетей LTE. Кроме того, в ближайшем будущем начнется совместное использование технологий 4G и 5G на одних и тех же частотах. www.russianelectronics.ru

электронные компоненты №06 2020

Т о п о л о г и я п е ч ат н ы х п л ат

Исследование Российской венчурной компании показало, что самыми быстрорастущими технологиями в России стали искусственный интеллект (ИИ), технологии больших данных (Big Data), а также робототехника и сенсорика. Исследование проводилось в рамках проекта по созданию карты компаний цифровой экономики в сегменте МСП. Карта содержит анализ деятельности около 400 малых и средних компаний в области создания и коммерциализации продуктов и услуг на базе сквозных технологий цифровой экономики в России. В исследование вошли компании, которые развивают в РФ квантовые технологии, нейротехнологии и ИИ, технологии виртуальной реальности и больших данных, промышленный интернет, беспроводную связь, компоненты робототехники и сенсорику, распределенные реестры, новые производственные технологии. Согласно исследованию, самой популярной сквозной технологией стал искусственный интеллект – в этой области работает каждая пятая компания. При этом такие компании демонстрируют и самые высокие темпы роста (CAGR показателей выручки за 2016–2018 гг. – 66%). В число лидеров по темпам роста помимо ИИ вошли технологии больших данных (CAGR 59%), а также робототехника и сенсорика (CAGR 35%). Нейротехнологии и искусственный интеллект стали самыми патентуемыми (2935 патентов); пик их регистрации пришелся на 2018 г. Технологии беспроводной связи могут начать стремительный рост при развертывании инфраструктуры 5G, считают эксперты. Около 60% компаний, развивающих цифровые технологии в России, – представители микробизнеса с годовой выручкой до 100 млн руб. Чуть более четверти компаний (26%) представляют малый бизнес с выручкой 100–800 млн руб., а 5% – средние компании с выручкой от 800 млн руб. до 2 млрд руб.

Три этапа исследования характеристик ВЧ-устройств путем измерения реакции на входное воздействие По материалам компании Keysight Используемый современными системами беспроводной связи спектр частот не безграничен. Сложные схемы модуляции повышают спектральную эффективность, но эффективно не работают в условиях искажения сигнала. Таким образом, в ходе исследования характеристик ВЧ-устройств требуется измерить нелинейные и прочие искажения, вызванные частотными составляющими, которые ухудшают качество модуляции и создают помехи другим приемникам.

И с п ы та н и я и т е с т и р о в а н и е

Введение

Измерение реакции на входное воздействие представляет собой простой и понятный способ оценки характеристик ВЧ-устройств. Для этого требуется подать на вход тестируемого устройства измерительный сигнал и снять выходной сигнал для дальнейшего анализа. Затем можно измерить и оценить различия между входным и выходным сигналами, чтобы понять причину возникновения этих различий. Мы обсудим общие принципы измерений реакции на входное воздействие, а также покажем, как с их помощью можно исследовать характеристики и отлаживать ВЧ-схемы. Этап 1. Измерение характеристик сигналов с цифровой модуляцией

Усложнение цифровой модуляции не только повышает отношение пиковой мощности к средней, но и нелинейные искажения. Для получения полезной информации о мощности с помощью сложных сигналов необходим статистический анализ уровней мощности. Кривая комплементарной интегральной функции распределения (CCDF) определяет мощность сигнала наивысшего уровня и предоставляет важную информацию, например, об отношении пиковой мощности к средней (PARP). Значение PARP можно использовать для оценки нелинейных искажений в усилителях мощности и передатчиках.

Рис. 1. График CCDF, построенный утилитой моделирования сигналов векторного генератора сигналов Keysight CXG

дится в режиме насыщения. Функция построения графика CCDF, которой оснащен генератор сигналов, позволяет определить кривую распределения мощности в его выходном сигнале. На рисунке 1 показан сигнал с модуляцией 64 QAM и символьной скоростью 10 МГц.

Если оконечный каскад генератора сигналов находится в режиме насыщения, он влияет не только на точность уровня выходной мощности, но и на качес тво модуляции из-за компрессии АМ/АМ. Мощность сигнала генератора не может превышать максимальную мощность генератора

Оценка моделируемых сигналов

При создании сигнала с цифровой модуляцией с помощью генератора сигналов следует убедиться, что он не нахо-

www.elcomdesign.ru

Рис. 2. Измерение комплементарной интегральной функции распределения мощности с помощью анализатора сигналов Keysight CXA

за вычетом значения PARP моделируемого сигнала. Измерения CCDF

При подаче сигнала с цифровой модуляцией на тестируемое устройство (ТУ) на анализаторе сигналов сравниваются графики CCDF мощности на входе и выходе, чтобы установить искажения исходной формы. На рисунке 2 показаны кривые мощности CCDF высокочастотного усилителя мощности. Розовая трасса – кривая CCDF мощности входного сигнала, а желтая – кривая CCDF мощности выходного сигнала усилителя мощности. Видно, что кривая CCDF мощности на выходе не совпадает с кривой CCDF мощности входного сигнала. Следует или уменьшить уровень входной мощности, или изменить схему усилителя, чтобы минимизировать искажения в усилителе мощности на более высоких выходных уровнях.

Рис. 3. Схема измерения нелинейных искажений

других приемников. Мы рассмотрим два основных типа искажений – нелинейные и интермодуляционные.

Этап 2. Измерение искажений Нелинейные искажения

П е р е д а т о ч н а я АЧ Х с х е м ы и л и устройства не может точно воспроизводить входной сигнал. Сильные фл у к т уации а м п ли т уды пр ив од я т к появлению частотных составляющих, частота которых кратна частоте входного сигнала. Наиболее простой и понятный метод исследования нелинейных искажений заключается в подаче гармонического немодулированного сигнала (CW) на вход и в измерении выходного сиг-

И с п ы та н и я и т е с т и р о в а н и е

В современных системах беспроводной связи разнесение каналов обеспечивает почти идеальную спектральную эффек тивность. При меньшем разнесении каналов в широкополосных системах связи необходимо более тщательное измерение нелинейных и прочих искажений. Составляющие искажений представляют собой нежелательные внутриканальные, внутриполосные или внеполосные сигналы. Искажения не только ухудшают характеристики передатчика, но мешают работе

нала анализатором сигналов (см. рис. 3). Тестируемым устройством (ТУ) может выступать ВЧ-усилитель или смеситель. Рекомендуется использовать генератор сигналов с малыми собственными нелинейными искажениями и установить ФНЧ между генератором сигналов и ТУ так, чтобы измерять только гармоники от ТУ, а не от генератора. На анализаторе сигналов устанавливают нулевую полосу обзора, чтобы выполнять измерения во временной области. Следует измерить уровень мощности основной гармоники и гармонических составляющих (см. рис. 4). Для измерения гармоник более высокого порядка выбирается анализатор сиг-

Рис. 4. Измерение гармоник с помощью анализатора сигналов Keysight CXA

электронные компоненты №06 2020

рительным тоновым сигналам. Удалить близко расположенные продукты искажения с помощью фильтра сложно. В системе связи эти продукты могут создавать помехи для соседних каналов. Определение уровня TOI: TOIНИЖ = PF2/2 + PF1 – PНИЖ_ИНТЕР/2, дБм; TOIВЕРХ = PF1/2 + PF2 – PВЕРХ_ИНТЕР/2, дБм.

Рис. 5. Схема двухтоновых измерений интермодуляционных искажений

налов с более широким динамическим диапазоном.

И с п ы та н и я и т е с т и р о в а н и е

Интермодуляционные составляющие 3‑го порядка

Двухтоновое измерение интермодуляционных составляющих 3‑го порядка (TOI) является стандартным исследованием высокочастотных искажений. Когда в нелинейной схеме присутствуют два и более сигнала, в результате их взаимодействия возникают дополнительные составляющие, частоты которых равны сумме и разности исходных частот сигналов, а так же

кратны сумме и разности этих частот. На рисунке 5 показана схема двухтонового измерения интермодуляционных составляющих 3‑го порядка. Тестируемым устройством может быть усилитель или смеситель. F1 (нижний тон) и F2 (верхний тон) – измерительные гармонические сигналы от двух генераторов сигналов (ГС). Подаваемые в систему гармонические сигналы не должны содержать составляющих 3‑го порядка. Эти составляющие возникают на частотах 2F1 – F2 и 2F2 – F1 (показаны красным), которые наиболее близко расположены к исходным изме-

На рисунке 6 показано измерение TOI анализатором сигналов. Гармонические сигналы подаются на частотах 995 и 1005 МГц. Интермодуляционные составляющие 3‑го порядка возникают на частотах 985 и 1015 МГц. Результаты измерения TOI составляют 31,7 дБм (ниж.) и 32,2 дБм (верх.). При производственном тестировании можно использовать для экономии один векторный генератор сигналов, подающий два измерительных тона благодаря наличию встроенного генератора модулирующих сигналов. Компания Keysight предлагает мощную процедуру коррекции для подавления продуктов искажения, создаваемых генератором сигналов или внешним предусилителем. В [1] описан процесс конфигурации неискаженных двухтоновых или многотоновых измерительных сигналов. Измерение относительного уровня мощности в соседнем канале (ACP)

Для передачи большего объема данных современные стандарты беспроводной

Рис. 6. Измерение интермодуляционных составляющих 3-го порядка (TOI) с помощью анализатора сигналов Keysight CXA

www.elcomdesign.ru

значение отношения вектора ошибки к реальному измеренному вектору. На рисунке 9 вектор ошибки (красная стрелка) соединяет конец опорного вектора I/Q (координаты идеального символа, зеленая стрелка) с концом век тора измеренного сигна ла I/Q (координаты реально принятого символа, черная стрелка). Отладка схем передатчиков Рис. 7. Прирост спектра вследствие интермодуляции

На рисунке 8 показаны результаты измерения ACP сигнала W‑CDMA с полосой канала 3,84 МГц. Этап 3. Измерение и анализ качества модуляции

Идеальный передатчик подает сигнал с цифровой модуляцией, точки сигнального созвездия которого расположены в идеальных положениях. Однако под влиянием разных факторов, к которым относится фазовый шум, шум системы, искажения и расстройка модулятора, идеальное расположение нарушается, что приводит к ухудшению связи. Измерение модуля вектора ошибки (EVM) позволяет оценить качество сигналов с цифровой модуляцией – узнать, насколько точки сигнального созвездия сдвинуты относительно идеальных позиций. Определение EVM

EVM представляет собой выраженное в процентах среднеквадратичное

И с п ы та н и я и т е с т и р о в а н и е

связи предусматривают использование более широких полос и нескольких несущих. Двухтоновое измерение уровня TOI не может предоставить полную информацию о частотных составляющих в широкой полосе. Цифровая модуляция, использующая одновременно сдвиги фазы и частоты, вызывает искажения, именуемые «приростом спектра» (spectral regrowth). На рисунке 7 прирост спектра сигнала с цифровой модуляцией показан красным цветом. Подобно TOI, прирастание спектра, вызывающее распространение энергии за пределы главного канала, является помехой для соседних каналов. Измерение ACP предусматривает определение отношения мощности модулированного сигнала к мощности, излучаемой в верхний и нижний соседние каналы. Измерения ACP предоставляют ценную информацию о приросте спектра и излучениях, позволяя оценить схему передатчика, в т. ч. фильтр модулирующего сигнала, а также нелинейные искажения.

Для успешного проек тирования необходимо иметь возможность оценивать сигнал и выявлять источники проблем. Воспользовавшись векторным анализом, можно демодулировать сигналы с цифровой модуляцией и исследовать показатели ошибок, например EVM, фазовый сдвиг I/Q, ошибки фазы и частоты. Дальнейший анализ позволит найти первопричины ошибок. Тестирование путем измерения реакции на входное воздействие позволяет обнаружить проблемы в подсистемах и компонентах проектируемых устройств. Описание общих нарушений работы передатчика и путей их устранения см. [2]. Для примера рассмотрим измерение CCDF при тестировании ВЧ-усилителя мощности. Выходной сигнал (желтая трасса) искажается при большем отношении пиковой мощности к средней. Можно выполнить векторный анализ сигналов и демодулировать входной и выходной сигналы по отдельности. На рисунках 10–11 показан анализ входного и выходного сигналов после демодуляции, соответственно. Значение EVM

Рис. 8. Измерение мощности в соседнем канале с помощью анализатора сигналов Keysight CXA

электронные компоненты №06 2020

Рис. 9. Модуль вектора ошибки на векторной диаграмме

увеличивается с 0,48% (входной сигнал) до 1,07% (выходной сигнал). Изучая сигнальное созвездие (вверху слева), видно, что внешние точки созвездия подвержены компрессии (слегка сдвинуты к центру, см. рис. 11). Внешние точки имеют более высокие уровни мощности. Компрессия вызвана режимом насыщения на выходе ВЧ-усилителя мощности.

И с п ы та н и я и т е с т и р о в а н и е

Три этапа оценки характеристик и отладки проектируемых схем

Итак, мы рассмотрели три этапа, выполнив которые, можно глубже проанализировать характеристики тестируемого устройства и отладить проект. 1. Измерение характеристик сигналов с цифровой моду‑ ляцией. Чтобы установить корректный уровень амплитуды в генераторе сигналов, следует знать мощностные характеристики смоделированного сигнала. Можно

Рис. 10. Анализ демодулированного входного сигнала усилителя мощности

www.elcomdesign.ru

измерять и сравнивать графики CCDF входного и выходного сигналов, чтобы обнаружить любую компрессию на выходе ТУ. 2. Измерение искажений. Исследуйте влияние искажений на частотный спектр, измерив нелинейные искажения, значения TOI и ACPR. 3. Демодуляция и анализ модулированных сигналов. Можно выполнить анализ модулированных сигналов и отладить проект. Для полного измерения характеристик ВЧ-компонентов следует знать показатели мощности смоделированного входного и измеренного выходного сигналов. Тестирование реакции на входное воздействие позволяет измерить такие параметры как CCDF, уровни гармоник, TOI, ACP и EVM для оценки характеристик ВЧ-компонентов в разных условиях, чтобы обеспечить оптимальное решение. Выполнение трех этих мер позволит уверенно

Рис. 11. Анализ демодулированного выходного сигнала усилителя мощности

выбрать правильное решение и создать оптимальный продукт.

4. White paper. Tac tics for Improving D i s t o r t i o n M e a s u r e m e n t s // l i t e r a t u r e . cdn. ke ysight.co m / lit we b/p df/5992– 3353EN.pdf. 5 .  A p p l i c a t i o n N o t e . Te s t i n g a n d Troubleshooting Digital RF Communications Transmitter Designs//literature.cdn.keysight. com/litweb/pdf/5968–3578E.pdf.

И с п ы та н и я и т е с т и р о в а н и е

Литература 1.  Ke y s i g ht Te c h n o l o g i e s . Te c h n i ca l O v e r v i e w . N 7 6 21B S i g n a l S t u d i o f o r Multitone Distortion//literature.cdn.keysight. com/litweb/pdf/5991–3194EN.pdf.

2. Agilent Technologies Wireless Test Solutions. Application Note 1313. Testing and Troubleshooting Digital RF Communications Transmitter Designs//www.keysight.com. 3. Application Note. Optimizing Dynamic Range for Distortion Measurements Distortion Measurements//literature.cdn. keysight.com/litweb/pdf/5980–3079EN.pdf.

электронные компоненты №06 2020

Фазостабильные коаксиальные кабели для повышения точности измерений Михаил Смирнов, инженер В статье рассматриваются общие параметры измерений и то, как фазостабильные коаксиальные кабели позволяют повысить точность всего процесса определения характеристик дифференциального сигнала.

И с п ы та н и я и т е с т и р о в а н и е

Измерение характеристик высокоскоростных устройств

Фазовая стабильность необходима для надежной работы тех контрольноизмерительных систем, где требуется обеспечить точное соответствие между частотой и фазой кабелей при относительно малом дрейфе этих параметров в зависимости от температуры, вибраций и изгибов. Фазостабильные коаксиальные кабели отвечают растущим требованиям к скоростям передачи данных в системах с дифференциальной передачей сигналов. Такая передача сигналов час то используется в высокоскоростных цифровых (мультигигабитных) устройствах потому, что любой шум одинаково воздействует на обе линии, если у них сильная связь друг с другом (при достаточной ширине проводника для заданного дифференциального импеданса). Соответственно, зачастую в таких системах гораздо проще фильтровать шум, чем в несимметричных линиях, что позволяет смягчить требования к передаваемой мощности. Синфазный шум, вносимый неидеальными устройствами, можно фильтровать при поступлении в приемник. Однако нельзя не учитывать переходы из синфазного режима в дифференциальный, и наоборот, которые возникают из-за производственных дефектов, вызывающих асимметрию устройств. Все отклонения электрических характеристик от требуемых необходимо выявить и проанализировать причины их возникновения до запуска изделия в производство. Среди широкого ряда способов, позволяющих проанализировать характеристики высокоскоростных дифференциальных устройств, одним из самых востребованных является использование S‑параметров смешанного режима. S‑параметры, обычно измеряемые с помощью векторного анализатора

www.elcomdesign.ru

цепей, являются чрезвычайно полезным средством моделирования и измерения при проектировании и анализе несбалансированных несимметричных и сбалансированных дифференциальных пассивных высокочастотных систем. Однако в случае измерения несимметричного дву хпортового радио -

частотного устройства для анализа потребуется матрица S‑параметров 2×2, а для дифференциального двухпортового устройства – матрица 4×4. На рисунке 1 представлены S‑параметры смешанного режима для синфазных и дифференциальных сигналов на входе и выходе.

Рис. 1. S-параметры смешанного режима для синфазных и дифференциальных сигналов на входе и выходе

битных цифровых приложений с USB 3.0, Ethernet, сериализаторами/десериализаторами (SerDes) часто применяются многодоменные тестовые шаблоны. З а м е т и м , ч т о н е си м м е т р ич н а я матрица S‑параметров размером N×N не имеет прямого отношения к матрице S‑параметров N×N смешанного режима (см. рис. 3). S‑параметры смешанного режима можно получить не только с помощью комплекта векторного анализатора цепей, но и путем математического расчета из файла Touchstone (SnP) с помощью соответствующих матриц преобразования [1].

Таблица. Общие определения 16 S-параметров смешанного режима

синфазный

дифференциальный

Выход

дифференциальный

синфазный

дифференциальный

Вход

S-параметр смешанного режима

Описание

SDD11

отношение отраженного дифференциального сигнала, измеренного на порту 1, к дифференциальному сигналу на порту 1

SDD12

отношение переданного дифференциального сигнала, измеренного на порту 1, к дифференциальному сигналу на порту 2

SDD21

отношение переданного дифференциального сигнала, измеренного на порту 2, к дифференциальному сигналу на порту 1

SDD22

отношение отраженного дифференциального сигнала, измеренного на порту 2, к дифференциальному сигналу на порту 2

SCD11

SCD12

отношение переданного дифференциального сигнала, измеренного на порту 1, к синфазному сигналу на порту 2

SCD21

отношение переданного синфазного сигнала, измеренного на порту 2, к дифференциальному сигналу на порту 1

SDD22

отношение отраженного синфазного сигнала, измеренного на порту 2, к синфазному сигналу на порту 2

SDC11

отношение отраженного синфазного сигнала на порту 1, к синфазному сигналу на порту 1

SDC12

отношение переданного синфазного сигнала на порту 1, к дифференциальному сигналу на порту 2

SDC21

отношение переданного дифференциального сигнала, измеренного на порту 2, к синфазному сигналу на порту 1

SDD22

(SDD41, SCC41) и режиме преобразования дифференциальный–синфазный (SCDxx). В таблице определены 16 S‑параметров смешанного режима, а на рисунке 2 иллюстрирует некоторые более специфичные параметры, используемые в анализе смешанного режима. При анализе характеристик также крайне важны параметры передачи во временной области (TDDxx), особенно для оценки джиттера (с помощью глазковой диаграммы) и перекрестных помех. При тестировании многогига-

Анализ временной области можно выполнить с помощью осциллографа (в режиме динамической рефлектометрии), тестера коэффициента битовых ошибок или векторного анализатора цепей, выполняющего обратное дискретное преобразование Фурье для преобразования из частотной области (SDD21) во временную (TDD21). S‑параметры смешанного режима используются для установления характеристик дифференциального канала в частотной области (перекрестные помехи, шум, вносимые потери и т. д.), а глазковые диаграммы позволяют анализировать джиттер тактовых импульсов или коэффициент битовых ошибок сигнала (BER), определяя джиттер, помехи и ослабление сигнала. Другие инструменты временной области, например одноимпульсный отклик, позволяют установить межсимвольные помехи в последовательной цепочке символов, которые часто обусловлены джиттером тактовых импульсов, шумом и перекрестными помехами.

И с п ы та н и я и т е с т и р о в а н и е

S‑параметры двухпортового несимметричного устройства описывают вносимые потери, затухание или усиление (S21), а так же потери на отражение, значения коэффициента стоячей волны напряжения (S11). Диф ф ер енциа льные S ‑ пар а м е т р ы дают представление о характеристиках системы с дифференциальными потерями на отражение (SDD11), о вносимых потерях (SDD21), перекрестных помехах на ближнем конце (NEX T ) (SDD31, SCC31, SCD31), перекрестных помехах на дальнем конце (FE X T )

Анализ временной области (джиттер, коэффициент битовых ошибок)

Рис. 2. Некоторые важные параметры измерения можно получить из S-параметров смешанного режима. Примечание: перечисленные параметры NEXT и FEXT находятся в состоянии, когда порты 1/2 являются «жертвами», а порты 3/4 – «агрессорами»

электронные компоненты №06 2020

характеристиками целостности сигнала может затруднить процесс локализации источников джиттера, фазового сдвига или перекрестных помех. Обычно такие проблемы решаются только с помощью ус тройс тв с хорошими харак теристиками целостности сигнала. Чтобы исключить источники фазового сдвига в дифференциальной системе испытаний, применяются фазостабильные кабели.

И с п ы та н и я и т е с т и р о в а н и е

Рис. 3. Несимметричные S-параметры можно преобразовать в S-параметры смешанного режима с помощью матриц [1]

Оценка джиттера имеет особое значение, поскольку с ростом скорости передачи данных и тактовой частоты из-за него ухудшается глазковая диаграмма, и намного сокращаются допуски на шумы, перекрестные помехи и производственные дефекты, которые его вызывают. Кроме того, более короткое время нарастания/спада увеличивает количество высокочастотного спектрального содержимого нередко до 5‑й гармоники. Например, скорость передачи данных 20 Гбит/с соответствует тактовой частоте 10 ГГц, что требует полосы пропускания 50 ГГц для выявления 5‑й гармоники (и, следовательно, увеличения разрешения во временной области). Для приложений с очень высокой скоростью передачи данных связь между шириной полосы пропускания и длительностью фронтов импульса определяется с помощью уравнения (1): , (1) где ШП – ширина полосы пропускания, а τR–время нарастания. В этих случаях векторный анализатор цепей может стать универсальным инструментом для многодоменного анализа и упрощенного определения характеристик канала. Однако использование прецизионных коаксиальных компонентов, в частности фазостабильных коаксиальных сборок и соответствующих методов устранения ошибок, вызванных испытательными установками, позволяет увеличить точность результатов изме-

www.elcomdesign.ru

рений, которую в состоянии обеспечить испытательное оборудование. Примеры использования коаксиальных кабелей

Современные высокоскоростные цифровые системы связи основаны на точной синхронизации сигналов на стороне передатчика и приемника. В качестве примеров мы рассмотрим использование функциональных блоков SerDes для высокоскоростной передачи сигналов ввода/вывода, а также обобщенные дифференциальные измерения при использовании высокоскоростных интерфейсов USB 3.1, мультигигабитного Ethernet и PCI Express. Анализ целостности сигнала Определение допустимых временных границ часто выполняется на стадии проектирования путем оценки характеристик перекрестных помех, джиттера, фазового сдвига и электромагнитного моделирования задержки на прохождение сигнала. Однако для получения более точной оценки потерь канала могут также потребоваться физические измерения с использованием испытательного оборудования. Для улучшения конструкции и оптимизации допусков необходимо выявить недостатки системы. Измерительные установки требуют наличия вспомогательных испытательных стендов, кабелей и разъемов для соединения с испытательным оборудованием. Использование дополнительных компонентов с плохими

Коррекция ошибок и методы пересчета З а д ач е й р а б о ч е й г р у п п ы I E E E P370 было создание отраслевого стандарта для определения характеристик высокочастотных электрических соединений с частотой до 50 ГГц. В некоторой степени эта задача была решена с помощью перечня рекомендуемых методов, предотвращающих неточный пересчет (deembedding – исключение параметров паразитных элементов из параметров тестового устройства с испытательной установкой и кабелями), приводящий к неточным измерениям S‑параметров. Эти некорректные данные могут ошибочно использоваться в тех случаях, когда для проверки истинности S‑параметров не применялся стандарт IEEE [3]. Для типовой калибровки несимметричной системы требуются измерения сигналов при короткозамкнутом и разомкнутом входе, а также с перемычкой вместо тестируемого устройства (коррекция погрешностей перед измерением) и с тестируемым устройством. При измерении параметров устройств в линии с дифференциальной передачей сигналов стандарт PG370 требует для коррекции погрешностей перед измерением использовать точно такую же печатную плату: с такими же слоями, переходными отверстиями, электрической длиной и ориентацией. Следует понимать, что даже более точные проприетарные алгоритмы пересчета, исключающие параметры испытательного стенда после измерений, увеличивают погрешность теста, изменяя длительность сигналов и не позволяя оптимизировать испытуемое устройство. Сама процедура пересчета в значительной степени зависит от точности поведенческой модели S‑параметров [5]. Например, измерения во временной области, в частности, для определения джиттера, могут оказаться менее точными при измерениях без фазостабильных коаксиальных кабелей, поскольку на показатели джиттера могут непосредственно влиять несоответствия меж ду задержками кабельных сборок.

Необходимость в фазостабильных коаксиальных кабелях

Следует также иметь в виду, что длина кабеля, а также диэлектрическая проницаемость зависят от температуры. Линейный коэффициент теплового расширения (КТР), как правило, увеличивается с ростом температуры по мере уменьшения диэлектрической проницаемости. Для оценки того, как изменяется длина кабеля в зависимости от температуры, уместнее использовать КТР внутренних и внешних проводников, поскольку кабель обычно фиксируется металлическим материалом, жесткость которого больше, чем у изолятора. Разработка фазостабильных коаксиальных кабелей требует диэлектрических материалов со стабильными характеристиками. Часто в диэлектрик вводится воздух. Низкоплотные и вспененные материалы вносят меньше потерь и обладают большей фазовой устойчивостью в зависимости от температуры, благодаря чему скорость распространения (Vp) выше на 75–80%. Однако у таких материалов – меньше общая механическая прочность и менее устойчивая диэлектрическая проницаемость по длине материала. Следовательно, требуется обеспечить баланс между прочностью материала (модулем упругости) и относительной диэлектрической проницаемостью. Фазовая стабильность увеличивается с уменьшением общей механической нагрузки на коаксиальный кабель. Коаксиальный кабель с высокой фазовой стабильностью часто быва-

Изготовление двух практически «одинаковых» кабелей У пары кабелей с почти одинаковыми задержками – одинаковые значения Vp в диэлектрических материалах и длины с точностью не ху же 1–2%. Однако добиться такого соответствия сложнее с увеличением длины кабелей, поскольку возрастают вариации их параметров. Кроме того, с увеличением частоты диэлектрическая проницаемость уменьшается. Благодаря точному соответствию диэлектрических проницаемостей и, следовательно, временных задержек, фазостабильные пары для передачи миллиметровых волн имеют гораздо более широкую полосу пропускания. Точность коаксиальной пары с согласованным временем задержки или фазы зависит от качества заделки разъемов и оптимизации каждого отдельного набора кабелей. Выборочного контроля партий, по всей видимости, недостаточно, чтобы межканальная задержка

Изготовление фазостабильных кабелей

Фазостабильные коаксиальные кабели Каждый фазостабильный коаксиальный кабель из набора должен быть устойчивым по фазе, чтобы задержка между двумя кабельными сборками была порядка пикосекунд. В коаксиальных кабелях всегда имеются потери (S21) из-за внутренних источников, к которым относятся потери в диэлектрике и проводниках. С другой стороны, задержка фазы/времени (связанная с фазой (S21)) зависит от физической длины кабеля, а также от относительной диэлектрической проницаемости (ε r) материала согласно уравнению (2):

И с п ы та н и я и т е с т и р о в а н и е

Часто в испытательных установках для высокоскоростных дифференциальных компонентов используются короткие коаксиальные или полужесткие кабели, гарантирующие соответствие времени задержек. Однако такие кабели часто затрудняют проведение испытаний из-за негибкости или недостаточной длины, требуемой для подключения к испытательному оборудованию. К сожалению, простая замена или удлинение двух, казалось бы, идентичных коаксиальных кабелей одинаковой длины не может надежно обеспечить совпадение фаз до пикосекундной точности. Так происходит даже несмотря на отслеживание фазы или контролируемое изготовление кабелей с подходящими материалами при использовании надлежащих методов производства и температурного режима для получения практически одинаковых характеристик коаксиальных кабелей на всей производственной линии. Для того чтобы фазостабильные коаксиальные кабели функционировали с высокой точностью, при их изготовлении требуется точная резка и монтаж разъема, а так же соответствующее тестирование. Высокоэффективные фазостабильные коаксиальные кабели часто играют определяющую роль и чаще всего используются в несимметричных системах. Проблема несоответствия задержек обостряется только в тех случаях, когда: -- измерения выполняются на длинах волн до миллиметрового диапазона; -- измерения выполняются с более длинными фазостабильными коаксиальными кабелями; -- кабели подвергаются частым изгибам при их использовании в процессе измерения.

. (2)

ет относительно тонким, что позволяет уменьшить изгибающие силы, приложенные в перпендикулярном направлении к поверхности кабеля при изгибе. Кроме того, между разъемом и линией передачи обычно устанавливаются защитные колпачки для снятия напряжения, амортизирующие воздействие жесткого наконечника разъема на более мягкий коаксиальный кабель при изгибах (см. рис. 4). Температурное воздействие или предварительная термотренировка снижают риск расхождения фаз из-за температурных колебаний в течение всего срока службы кабеля.

Рис. 4. Пара фазостабильных коаксиальных кабелей

электронные компоненты №06 2020

составила, например, 1–5 пс. Следовательно, для обеспечения надежной работы всей линии производства фазостабильных коаксиальных кабелей должен тестироваться каждый комплект со 100-% выборкой. Выводы

Фазостабильные кабельные сборки успешно используются при определении характеристик высокоскоростных систем с дифференциальной передачей сигналов. Как и контрольно-измерительное оборудование, зонды и тестовые приспособления, пассивные линии передачи, подключенные к испытательной установке, могут либо улучшать, либо ухудшать ее параметры. Для обеспечения точного соответствия фаз между двумя коаксиальными линиями передачи следует тщательно учитывать множество факторов, влияющих на про-

цесс разработки, что делает согласование задержек между каналами не таким простым, как может показаться на первый взгляд. Литература 1. Vitaliy Zhurbenko. Advanced Microwave Circuits and Systems. 2010. 2 .   I E E E X p l o r e // i e e e x p l o r e . i e e e . o r g /s t a m p /s t a m p . jsp?arnumber=7407194. 3. Al Neves, Tim Wang Lee, Jack Carrel, Hong-Ahn, Heidi Barnes, Mike Resso. 32 to 56 Gbps Serial Link Analysis and Optimization Methods for Pathological Channels. DesignCon2017 Presentation. 4. De-Mystifying the 28 Gb/s PCB Channel: Design to Measurement. DesignCon 2014. 5. Dan Birch. Understanding Skew and Delay-Matched Coaxial Cables//www.microwavejournal.com.

Новости технологий

И с п ы та н и я и т е с т и р о в а н и е

| Самый мощный вариант – Cortex-X1|

Компания ARM анонсировала новое поколение процессоров, которые позволяет увеличить производительность смартфонов на 20% по сравнению с предыдущим поколением процессоров. Среди новинок отдельного внимания заслуживает специально оптимизированное ядро Cortex-X1, обеспечивающее максимальное быстродействие кристалла. Как сообщили в ARM, новые ядра Cortex-A78, Mali-G78 и Ethos-N78 появятся в смартфонах, которые поступят в продажу в следующем году. В компании обещают, что Cortex-A78 позволит на 20% увеличить усредненную производительность процессоров по сравнению с предыдущим поколением, а в случае с Mali-G78 прибавка показателя составит 25%. Что касается Cortex-X1, в ARM обещают, что это ядро обеспечит на 30% более высокую пиковую производительность по сравнению с кристаллами нынешнего поколения на ядре Cortex-A. Как объяснили в компании, X1 относится к новой категории разработок, не включенных в основной план развития конструкций ARM, и создается при участии партнеров. Cortex-X1 дает ответ на вопрос о том, до каких пределов можно увеличить производительность в отсутствие ограничений по площади кристалла. Как объясняют в ARM, ядро A78 создано с учетом внедрения мобильной связи 5G. В частности, при тестировании оценивалось время запуска приложений и скорость реакции веб-страниц при прокрутке. Чтобы сохранять высокое усредненное быстродействие устройств с малым ресурсом батареи при работе приложений, требующих большой производительности процессора, уровень потребляемой мощности ограничиваться не будет. В результате не будет ощущаться задержка, и не станет падать частота кадров. Как и Cortex-A77, Cortex-A78 имеет восьмиядерную архитектуру big.LITTLE, предусматривающую использование четырех высокопроизводительных ядер A78 и четырех ядер A55, оптимизированных для обеспечения большей продолжительности работы от батареи. По данным ARM, ядро Cortex-A78 на тактовой частоте 3 ГГц повышает усредненную производительность ядра на 20% в сравнении с 2,6‑ГГц Cortex-A77 при одинаковой потребляемой мощности 1 Вт. Отмечается, что такой результат был получен при моделировании, а не на реальном аппаратном обеспечении. Производитель смартфона сможет уменьшить рабочую частоту A78 так, чтобы электроэнергия расходовалась вдвое меньше, чем в случае с A77, но при этом обеспечивалась та же производительность. По оценкам специалистов ARM, площадь кристаллов восьмиядерных процессоров на базе Cortex-A78 будет на 15% меньше, чем у аналогов на основе Cortex-A77, за счет чего можно сократить размеры телефонов. Графический процессор ARM Mali-G78 получил ряд усовершенствований – число ядер увеличено до 24, основной арифметический модуль стал потреблять на 30% меньше электроэнергии, оптимизирована производительность в режиме воспроизведения сложных игровых сцен с изображением дыма, травы, деревьев. Как заявляют в ARM, это самый мощный видеокристалл на основе архитектуры Valhall. В ARM также сообщили, что компания предложит еще один вариант новой конструкции под названием Mali-G68, предназначенный для смартфонов эконом-класса. У видеокристаллов на ее основе будут все те же возможности, что и у G78, но число ядер – только шесть. По словам специалистов компании, скорость выполнения задач, связанных с машинным обучением, на Mali-G78 увеличилась приблизительно на 15%. Это позволит улучшить работу, в частности, функции разблокировки смартфона при распознании лица и специальных режимов камеры, например портретного, при котором изображение фотографируемого автоматически делается более четким, а фон размывается. Ethos-N78 – специализированное ядро для задач машинного обучения, оптимизированное для повышения эффективности переноса данных. В ARM сообщили, что производительность Ethos-N78 в расчете на квадратный миллиметр площади кристалла выросла на 25%, а пиковое быстродействие при выполнении операций умножения–сложения достигло 10 TFLOPS. www.russianelectronics.ru

www.elcomdesign.ru

Неразрушающий контроль внутренней структуры электронных компонентов Владимир Полудин, инженер В статье представлен небольшой обзор трех методов неразрушающего контроля электронных, в т. ч. пассивных компонентов. Эти методы применяются для осуществления контроля с отбраковкой изделий, проверки и анализа неисправностей микросхем в пластиковых корпусах, а также других электрических и электронных компонентов.

Рис. 1. Пространственное разрешение методов неразрушающего контроля

туры. Типовая рентгеноскопическая система состоит из трех компонентов: рентгеновской трубки (источника), рентгеновского детектора и испытательного оборудования для фиксации образца

и контроля его положения относительно зонда. В этих системах пространственное разрешение, главным образом, определяется размером пятна излучения и эмитирующей поверхности.

Рентгенодефектоскопия

При прохождении рентгеновского луча сквозь образец часть излучения взаимодействует со средой и поглощается веществом. Интенсивность прошедшего рентгеновского пучка зависит от химического состава материала и формы образца. Таким образом, в приемник поступает рентгеновское излучение меньшей интенсивности, на основе которой определяется плотность материала образца и форма внутренних объектов его струк-

И с п ы та н и я и т е с т и р о в а н и е

Стандартные меры неразрушающих испытаний, включая тестирование электрических и электронных компонентов, условно делятся на три основные категории: -- проверка функционирования (электрические испытания на наличие функциональных сбоев); -- наружный осмотр корпуса; -- внутренний контроль конструкции. Мы рассмотрим и сравним три распространенных метода неразрушающего контроля: -- акустическую микроскопию; -- рентгеноскопическое просвечивание; -- синхронную инфракрасную термографию (ИКТ). Эти методы контроля комбинируются с разрушающими и функциональными испытаниями для детального анализа и контроля: -- микросхем в пластиковых корпусах; -- систем Flip-Chip (корпусов CGA, FCBGA, PBGA, FPBGA и т. д.); -- полупроводниковых пластин; -- печатных плат; -- конденсаторов; -- МЭМС. На рисунке 1 показано, как соотносится пространственное разрешение современных методов неразрушающего контроля с типовыми размерами корпусов микросхем.

Рис. 2. Принцип действия рентгенодефектоскопии и акустической микроскопии

электронные компоненты №06 2020

Двумерный рентгенодефектоскопический контроль – один из самых старых и устоявшихся методов неразрушающего внутреннего контроля не только электронных компонентов, но и матер и а л о в. К ак в и д н о и з р и с у н к а 2 , где сравнивается рентгеноскопический метод с методом акустической микроскопии, одним из главных преимуществ рентгенодефектоскопии является возможность лучей проходить сквозь объек ты большой толщины и определять с их помощью вертикальные субмиллиметровые струк т уры внутри образцов. Однако такое планарное представление конструкции, полученное путем прохождения лучей сверху вниз (см. рис. 3а), не предоставляет достаточной информации о внутренней структуре сложных объемных сборок. В таких случаях применяются методы 3D-реконструкции, позволяющие в полной мере выполнить контроль внутренних элементов.

а)

б)

Рис. 3. а) результаты использования двумерного и б) трехмерного методов рентгенодефектоскопии

И с п ы та н и я и т е с т и р о в а н и е

Сканирующая акустическая микроскопия

Метод сканирующей акустической микроскопии (САМ), или сканирующей акустической томографии, в настоящее время широко применяется во всем мире для неразрушающего контроля, проверки микроэлектронных компонентов и материалов. Данный метод используется для контроля качества, оценки состояния и анализа отказов, а также в процессе испытаний, например, микросхем в пластиковых корпусах (см. рис. 4). Как видно из рисунка 5, принцип действия этого метода основан на отражении акустических волн от поверхности раздела между разными средами и в местах неоднородной плотности материала. В этом методе используются сфокусированные ультразвуковые импульсы в диапазоне от МГц до ГГц. По отраженным сигналам определяются границы раздела между разными материалами и скрытые физические дефекты (полости, трещины, расслоения и т. д.) которые появились в процессе производства, после испытаний на воздействие внешних факторов или в результате продолжительной эксплуации. Наиболее важной частью акустического микроскопа является преобразователь, который используется как источник и приемник для преобразования акустических сигналов в электрические. Чтобы получить предс тавление о внутренней структуре образца, в этом методе анализируется задержка между отраженными импульсами, появившимися на границах раздела материалов, и сравниваются относительные вели-

www.elcomdesign.ru

Рис. 4. Оценка состояния ПЛИС методом САМ

Рис. 5. Физический принцип неразрушающего контроля методом САМ

чины интенсивности сигналов. Кроме того, данный метод предоставляет очень надежную информацию о других характеристиках поверхностей раздела. Таким образом, отражения с высокой амплитудой обусловлены большими различиями в свойствах материалов. Благодаря тому, что наибольшая амплит уда сигналов наблюдается при их отражении от границ раздела с воздухом, этот метод, в частности, пригоден для выявления очень тонких плоских полостей с воздухом в расслоившихся материалах.

Синхронная термография

Инфракрасная термография – еще один широко распространенный метод неразрушающего контроля для проверки электрических и электронных компонентов, а также материалов. В этом методе осуществляется точное измерение излучаемого поверхностью тепла в диапазоне 2–14 мкм. Как и в случае с другими методами тепловой микроскопии, результаты этих измерений используются для анализа и записи распределения температуры по поверхности. Диапазон разрешения метода

Импульсные и синхронные методы являются основными средствами контроля с помощью активной термографии. В импульсной термографии применяется единичный тепловой импульс, а в синхронной поверхность образца подвергается периодическому нагреву. Тепловая волна отражается от неоднородностей (трещин или включений) структуры, меняя распределение температуры на поверхности образца. Поскольку частота отраженной волны та же, что и у волны возмущения, отраженный сигнал легко идентифицируется. Стресс-тесты Рис. 6. Проверка состояния разъемов с помощью метода синхронного термографического контроля

составляет 0,020–0,075°C в зависимости от используемого детектора. Методы активной или пассивной термографии применяются для контроля микроэлектронных, а также пассивных компонентов. С одной стороны, пассивные методы позволяют анализировать естественное тепловое излучение от разных структур внутри компонентов в отсутствие внешних источников. С другой

стороны, в активных методах применяется внешний источник тепла, которое направляется на проверяемый объект. Тепловые волны, генерируемые на поверхности образца, рассеиваются на ее дефектах и детектируются. Методы активной термографии, позволяющие обнаружить трещины и влагу в композитных материалах, используются для контроля корпусов высокоплотных микросхем (см. рис. 6).

Многие компании используют методы неразрушающего контроля вместе со стресс-тестами и испытаниями на воздействие внешних условий для анализа целостности системы и ее рабочих параметров. К стресс-тестам относятся: -- испытания на влагостойкость, влажность и температурные испытания; -- термовакуумные испытания; -- термоциклирование; -- температурные удары; -- виброиспытания.

События рынка И с п ы та н и я и т е с т и р о в а н и е

| Объем российского рынка IIoT упадет на 10% |

На фоне ожидаемого сокращения производства и урезания бюджетов на цифровизацию инвестиции в IIoT-проекты (промышленного интернета вещей) упадут на 10% – до 7,1 млрд руб. По оценкам IKS-Consulting, объем рынка промышленного интернета вещей в прошлом году вырос на 4% по сравнению с 2018 г. – до 7,92 млрд руб., а объемы производства увеличились на 3%. Основной рост рынка обеспечила деятельность отдельных компаний (разработчиков решений, интеграторов, операторов связи), которые выбрали IIoT как одно из стратегических направлений. Интерес к нему поддерживают и государственные инициативы по цифровизации промышленности и развитию сквозных цифровых технологий (СЦТ). Аналитики указали на то, что в 2019 г. было реализовано 40 крупных проектов. Больше всего пришлось на обрабатывающее производство, добычу полезных ископаемых и машиностроение. Самыми распространенными решениями в области IIoT стали системы мониторинга (сбора, обработки, анализа и визуализации промышленных данных), системы управления горнотранспортным комплексом и проекты по технологии «цифровой двойник» завода, рудника, скважины или месторождения. www.russianelectronics.ru

Новости технологий

| Железноводск стал умным городом |

www.russianelectronics.ru

Катушки индуктивности на токи до 10 А U.FL разъемы и pigtail cо SMA РЕКЛАМА

В этом городе запущена цифровая платформа «Умный город». Через нее муниципальные службы в реальном времени могут управлять городом и получать статистику. Для мониторинга объектов городского хозяйства создан единый ситуационный центр. Cистема видеонаблюдения распознает транспортные средства по регистрационным знакам и ведет биометрический поиск граждан.

электронные компоненты №06 2020

Система адаптивного контроля транспорта на основе модулей АО «ПКК Миландр» Кирилл Кареев, инженер-программист 1-й категории, ОРПО ЦП РЭА, kareev.k@milandr.ru

Система помощи водителю «БУБА» от АО «ПКК Миландр» представляет собой универсальное решение для автоматизации задач управления ТС. Устройство имеет широкие вычислительные возможности, богатый выбор отладочных интерфейсов и большой диапазон напряжений питания. Программное обеспечение, разработанное для этой системы, наглядно демонстрирует ее возможности.

В с т ра и в а е м ы е с и с т е м ы

Описание системы

В настоящее время одним из трендов развития автомобильной техники является автоматизация рутинных задач управ ления автомобилем в целях упрощения вождения и повышения его безопасности. Для решения задач автоматизации автомобили оснащаются датчиками, электронными средствами управления/актуаторами и специальными устройствами, управляющими некоторыми функциями движения автомобиля на основе данных от датчиков. В АО «ПКК Миландр» ведется разработка линейки таких устройств – систем помощи водителю. Было разработано устройство «БУБА» (блок управления безопасностью автомобиля), который подключается к CAN-шине автомобиля и выполняет управление по следующим датчикам: -- м н о г о л у ч е в ы е а в т о м о б и л ь ные радары АО «ПКК Миландр» МАРС‑2A1, подключенные к выделенной CAN-шине устройства. Угол обзора радаров составляет 60° по азимуту. Они обрабатывают цели, находящиеся на расстоянии 1,2–200 м, и поставляют в систему расширенные данные о 32 целях (дальность, скорость, размеры и т. д.). Блок одновременно поддерживает до трех подключенных к нему радаров; -- одна или две аналоговые камеры. Поддерживаются видеостандарты SD вплоть до PAL 576i; -- до четырех цифровых видео камер, передающих видео по интерфейсу FPD-Link III. Поддерживаются видеоформаты HD до 1080p при 60 Гц; -- встроенный блок инерциальной навигации. Содержит трехосный акселерометр (предос тавляет

www.elcomdesign.ru

Рис. 1. Основная плата БУБА, вид сверху

информацию о линейном ускорении в трех осях), трехосный гироскоп (предоставляет информацию об угловом ускорении в трех осях) и трехосный магнитометр (предоставляет информацию об ориентации автомобиля относительно магнитного поля Земли). Кроме того, блок может интегрировать показания датчиков и выдавать объединенные данные об ориентации устройства в пространстве в виде матрицы вращения или кватерниона. БУБА представляет собой высокопроизводительный промышленный компьютер на базе процессора IMX6QP. Схема устройства представлена на рисунке 1. У устройства – следующие вычислительные характеристики: -- 4× я д р а Co r t e x- A9 с р а б о ч е й частотой 1 ГГц; поддерживаются вычисления с плавающей точкой и векторные расширения NEON;

-- DDR3 ОЗУ объемом 3840 Мбайт с рабочей частотой 532 МГц (DDR3– 1066); -- четырехъядерный 3D-ускоритель GC2000 с рабочей час тотой до 720 МГц, поддерживает API OpenCL 1.2, пригоден для ускорения параллельных задач; -- ускорители обработки изображения (вращение, изменение размера, преобразование цветовых пространств) для предварительной обработки данных с камер; -- ускоритель кодирования видеоданных; поддерживает, среди прочих, формат H264. Используется для сохранения видеожурналов поездок на внутренний накопитель. В состав устройства входит высокоскоростной встроенный SSD-накопитель объемом 128 Гбит, позволяющий вести ж урналы данных со всех датчиков (камеры, радары, инерциальный блок),

Системное ПО

ПО блока управ ления работает на базе ОС Linux, дистрибутив Debian, версия 10.0 (stretch). Алгоритмы управления выполнены в виде системных сервисов – независимых программ, запускаемых при старте системы. Критические части алгоритмов (например,

Рис. 2. БУБА в сборе, вид со стороны технологического люка

Рис. 3. Корпус БУБА, вид сверху

непосредственное управление автомобилем путем отправки CAN-сообщений) выделены в отдельные программы, выполненные с повышенной степенью надежности и использующие механизмы самопроверки и самовосстановления. Тек ущая версия управ ляющего ПО поддерживает следующие функции помощи водителю: -- экстренное торможение – остановка автомобиля перед движущимся впереди транспортным средством в случае сближения с ним на определенное расстояние. Использует управление тормозной системой автомобиля; -- следование за ТС («адаптивный круиз-контроль») – регулирование скорости автомобиля в зависимости от расстояния и скорости движущегося впереди транспортного средства. Использует управление двигателем ТС (педалью газа). Для работы алгоритма требуются следующие внешние датчики: -- один многолучевой автомобильный радар МАРС‑2A1, который поставляет в алгоритм основные отметки целей, а также параметры целей (дальность, размеры, скорость); -- одна камера (например, аналоговая камера PAL 576i), направленная по ходу движения автомобиля; после выполнения алгоритма распознания она предоставляет дополнительную новую (тип и высота цели) и избыточную (дальность, ширина, скорость) информацию о целях. Использование этой информации позволяет уменьшить

количество ложных срабатываний системы и повысить качество определения параметров цели. Краткое описание работы алгоритма –– Кадры с камеры (с частотой 20–30 Гц) проходят предобработку и поступают на вход алгоритма для распознания объектов дорожной обстановки. Полученные данные дополнительно сравниваются с данными из прошлых циклов распознания, в результате чего определяются параметры целей – номер, дальность, размер и т. д. –– Отметки с радара (поступают каждые 10 мс) объединяются в массивы отметок – кадры. Они дополнительно кластеризуются для исключения множественного детектирования целей и сравниваются с данными из предыдущих циклов получения данных. Таким образом, данные приводятся в единообразную форму для следующих этапов алгоритма. –– Подготовленные данные с камеры и радара объединяются в общие отметки целей. –– Отметки целей сортируются в соответствии с зонами интереса (полоса, в которой движется цель, дальность до цели и пр.). Из отсортированных целей выбирается самая «интересная» – ближайшая цель в той же полосе. –– Параметры этой цели (дальность, скорость и т. д.) поступают на вход регулятора движения автомобиля. Основная ветка алгоритма регулятора выполняет управление «педалью газа», дополнительная («экстрен-

электронные компоненты №06 2020

В с т ра и в а е м ы е с и с т е м ы

а также выходных воздействий на агрегаты автомобиля во время поездок. Для организации разработки, а также вывода расширенной информации о состоянии системы в состав этого блока входят следующие интерфейсы: –– Ethernet и WiFi, которые предо ставляют широкополосный доступ к сис теме, позволяют выводить видеопотоки, демонстрирующие состояние алгоритмов, обновлять системное ПО, выгружать журналы поездок и т. д. WiFi позволяет выполнять описанные выше действия без физического соединения с устройством, что удобно в полевых условиях; –– HDMI, который позволяет отображать состояние системы на дисплее для демонстрации возможностей системы; –– USB Host и USB-OTG порты обеспечивают подключение к системе внешних устройств – органов управления для управления системой (например, включения и выключения круизконтроля), а также позволяют экспериментировать с ускорителями алгоритмов (например, ускорителями распознавания изображений). Эти порты совместимы со стандартом USB 2.0 HighSpeed; –– USB-UART подключен к системной консоли, позволяет осуществить аварийный доступ в случае неправильной работы системы. Все отладочные порты выведены на одну панель (см. рис. 2), защищенную технологическим люком. Люк ограничивает физический доступ к портам, а также обеспечивает герметичность корпуса. У БУБА – широкий диапазон напряжений питания 9–36 В, что позволяет ему работать от уже существующих в системе источников питания, в т. ч. от автомобильной бортовой сети. Корпус блока (см. рис. 3) выполнен из металла, устойчив к внешним воздействиям. При закрытии технологического люка с отладочными интерфейсами он становится герметичным, устойчивым к условиям эксплуатации внутри автомобиля. Все внешние соединения, в т. ч. соединение с источником питания, осуществляются через специальный герметичный автомобильный разъем на передней части устройства.

ная») – тормозом для выполнения алгоритма экстренного торможения. –– Выходные параметры регуляторов (воздействия на системы автомобиля) передаются в CAN-сеть автомобиля. Результаты выполнения частей алгоритма можно просматривать во время работы алгоритма: -- результат соединения целей демонстрируется как видео поток, передаваемый через Ethernet по протоколу RTP; этот поток вместе со списками целей (в виде БД) записывается во внутренний накопитель; -- входные и выходные данные регуляторов можно увидеть при помощи специального приложения; -- обмен данными на CAN-шинах можно просмотреть при помощи специального приложения; этот обмен записывается во внутренний накопитель. Таким образом, алгоритм выполняет управление автомобилем, а также регистрацию всех входных и выходных данных, включая видеоданные с камеры (т. е. работает дополнительно как видеорегистратор). Выводы

Описанное устройство предоставляет расширенные возможности системы помощи водителю. К ним относятся не только вычислительные возможности (высокая производительность, большой объем памяти, а также дополнительные вычислители для оптимального выполнения специальных алгоритмов), но и интерфейсные (поддержка релевантных интерфейсов ввода видео, связи с автомобильными датчиками и системами управления автомобилем). Кроме того, блок осна-

щен большим количеством дополнительных интерфейсов, которые облегчают задачу разработки, контроля и демонстрации ПО для управления ТС. Было разработано ПО для управления ТС, выполняющее несколько функций системы помощи водителю. АО «ПКК Миландр» продолжает развитие данного направления – разрабатываются новые, еще более производительные и универсальные устройства для систем помощи водителю, создаются усовершенствованные автомобильные датчики (радары). Расширяются возможности ПО для управления автомобилем не только в направлении увеличения надежности и качества управления ТС, но и расширения функционала системы управления. Таким образом, АО «ПКК Миландр» участвует в автоматизации задач вождения транспортных средств. В будущем такие разработки разовьются в технологии автономного вождения ТС с минимальным участием водителя, что позволит увеличить доступность транспорта и значительно повысить его безопасность. Литература 1. Ю. Мякочин, М. Бирюков. Миллиметровые радары АО «ПКК Миландр» для применения на автотранспорте и в системах безопасности//Электроника: НТБ. 2019. № 8. 2. Ю. Мякочин, М. Бирюков. Автомобильные радары частотных диапазонов 24 и 77 ГГц//Электроника: НТБ. 2018. № 8. 3. ГОСТ Р ИСО 15623–2017. Интеллектуальные транспортные системы. Системы предупреждения столкновений с движущимся впереди транспортным средством.

События рынка

В с т ра и в а е м ы е с и с т е м ы

| Исход айтишников из России? |

Наталья Касперская предупредила премьер-министра России Михаила Мишустина о риске массовой эмиграции российских ИТ-специалистов в ближайшие годы. Свой прогноз председатель правления ассоциации разработчиков программных продуктов «Отечественный софт» (АРПП) представила в письме, написанном совместно с президентом ассоциации «Руссофт» Валентином Макаровым. По оценке Касперской и Макарова, в 2020–2021 гг. из России могут уехать 10–15 тыс. специалистов в области информационных технологий. Прогнозы ассоциаций основаны на данных проведенного опроса о выручке отечественных компаний–разработчиков ПО. В мае 2020 г. этот финансовый показатель сократился почти в два раза в сравнении с маем 2019 г. Кроме того, 10% компаний заявили о более чем 90-% падении выручки. В первой половине мая 2020 г. ассоциация «Руссофт» провела опрос среди российских ИТ-фирм, согласно которому 15% готовятся сократить свой персонал более чем на 10%. В целом, к массовым увольнениям в ближайшем будущем могут прийти 42% отечественных компаний из ИТ-сферы. Глава ассоциации Валентин Макаров сообщил, что работу могут потерять 20–25 тыс. ИТ-специалистов, тогда как ежегодный прирост, к примеру, программистов, осуществляемый, по большей части, за счет выпускников, находится в пределах 15–17 тыс. человек. Гендиректор ИТ-компании «Базальт СПО» Алексей Смирнов заявил, что отток российских ИТ-кадров за рубеж не всегда означает их переезд в другую страну. По его словам, они могут перейти работать из отечественной компании в российский офис иностранной ИТ-фирмы и добавил, что охота за ИТ-кадрами уже началась. «Важно, что они забирают, в первую очередь, самых профессиональных, и это означает риск остановки развития разработки. Сюда же накладывается фактор безысходности, когда ИТ-специалисты остаются без работы и иностранные компании делают им менее привлекательное предложение, чем оно было бы до пандемии», – сказал Смирнов. Причиной ухода в иностранную компанию российских ИТ-специалистов может послужить не только сокращение, но и финансовые проблемы. По мнению исполнительного директора АРПП Рената Лашина, в ИТ-сфере участились случаи невыплат за работу (около 50% контрактов). Также замечен рост случаев расторжения контрактов (10–20%). В начале мая 2020 г. Минкомсвязи России спрогнозировало возможный переход к убыточности российской ИТ-сферы во II кв. 2020 г., который заканчивается 30 июня 2020 г. Свой прогноз министерство изложило в письме, направленном в аппарат Правительства и Минэкономразвития России. По оценке Минкомсвязи, чистая прибыль ИТ-компаний по итогам II кв. 2020 г. может сократиться до нуля, а к убыточности бизнес могут привести отчисления, в т. ч. выплаты процентов по кредитам. По итогам всего 2020 г. прибыль отрасли в целом может снизиться на 30 млрд руб. в сравнении с 2019 г. и составить 93 млрд руб. В ведомстве тоже полагают, что сложившаяся в отрасли ситуация может повлечь за собой и сокращение числа ИТ-специалистов – во второй половине 2020 г. оно может снизиться в среднем на 27 тыс. и восстановится, по прогнозам, лишь к 2024 г. В конце апреля 2020 г. Минкомсвязи сформировало перечень предложений по поддержке ИТ-бизнеса в сложившейся экономической ситуации. Они были приведены в письме, подписанном главой министерства Максутом Шадаевым и направленном Михаилу Мишустину и вице-премьеру России Дмитрию Чернышенко. В общей сложности, письмо Минкомсвязи содержало 15 предложений. www.russianelectronics.ru

www.elcomdesign.ru

Конвертеры напряжения с постоянным коэффициентом преобразования для систем распределенного электропитания Фил Дэвис (Phil Davies), корпоративный вице-президент, Vicor Corporation

Подавляющему большинству электромеханических и полупроводниковых устройств для надежной работы требуется стабильное преобразование напряжения постоянного тока, точная стабилизация и регулировка. Обычно о DC/DC-преобразователях, выполняющих подобную функцию, говорят как об источниках питания непосредственно в точке подключения нагрузки (PoL-стабилизаторы). Их максимальное и минимальное входное напряжение определяет диапазон устойчивого функционирования. Сети подачи энергии (power delivery network, PDN), используемые для этих стабилизаторов, различаются по сложности, количеству и типам нагрузок, структурам, уровням напряжения (ступенями преобразования), а также требованиями к электрической прочности изоляции и точности поддержания выходного напряжения.

И с т о ч н и к и и м о д у л и п и та н и я

Введение

Многие р азр аб от чик и счи т аю т DC/DC-преобразователи важной составной частью проектируемых ими систем. Однако стабилизированное напряжение необходимо не всем PDN-сетям, чтобы обеспечить заданный уровень напряжения для PoL-стабилизаторов, и оно не всегда требуется для промежуточной распределительной шины. С учетом этих обстоятельств разработчики систем питания применяют DC/DC-преобразователи с постоянным коэффициентом, у которых имеются значительные преимущества для обеспечения наилучших параметров PDN-систем. Оптимизация системы подачи электропитания

Эффек тивнос ть PDN - с хемы, как правило, измеряется по таким показателям как КПД, время протекания переходных процессов при изменении нагрузки или входного напряжения, массогабаритные показатели и стоимость. На параметры системы электропитания наибольшее влияние оказывает количество требуемых ступеней преобразования напряжения, а также входные и выходные характеристики. Разработчики прилагают немало усилий, чтобы оптимизировать комплексную систему преобразования питающего напряжения, параметры динамического регулирования и рас-

www.elcomdesign.ru

пределения питания для повышения эффективности и надежности. В устройстве с отдаваемой в нагрузку мощностью в киловаттном диапазоне использование более высокого напряжения позволяет значительно уменьшить ток в системе электропитания (в соответствии с формулой P = V∙I), благодаря чему можно сократить размер, вес и стоимость самой PDN-системы (за счет кабелей, шин, медных проводников для подводки питания основной платы), поскольку мощность потерь определяется как PПОТЕРЬ = I2R. Следовательно, преобразование более высокого напряжения в очень низкое с высокими токами, максимально приближенное к нагрузке, является неоспоримым преимуществом рассматриваемого схемного решения. Од н а к о д л я т а к о г о п р и б л и ж е ния высоковольтной и высокомощной PDN-схемы к нагрузке требуется DC/DC-преобразователь с большим КПД и большой удельной мощностью. Преобразователи с постоянным коэффициентом обеспечивают преобразование входного напряжения с номиналом, например, 800 или 400 В в выходное величиной 48 В. Такие устройства обладают очень высоким КПД, т. к. у них отсутствуют потери на регулирование. Благодаря такому КПД у этих преобразователей выше удельная и меньше рассеиваемая мощность.

Конвертер с постоянным коэффициентом преобразования

Работа преобразователя с постоянным коэффициентом во многом схожа с функциями трансформатора, но вместо AC/AC осуществляется DC/DC-преобразование, при котором выходное напряжение составляет фиксированную часть входного напряжения постоянного тока. Поскольку при использовании трансформатора преобразователь не осуществляет стабилизацию выходного напряжения, преобразование входного напряжения в выходное определяется «коэффициентом трансформации» устройства. Этот коэффициент K, меняющийся в диапазоне 1–1/72, выбирается на основе параметров первичного источника питания и PoLстабилизатора. Преобразователи с фиксированным K могут быть с гальванической развязкой и без нее. Они могут передавать энергию в обоих направлениях – в прямом и в обратном. Например, двунаправленный преобразователь с фиксированным K = 1/16 может работать как повышающий с K = 16/1 (см. рис. 1). Диапазон типовых значений напряжения: низкое (48, 28 или 24 В); высокое (380, 270 В), ультравысокое напряжение (800, 600, 540 В). Кроме того, эти преобразователи можно легко включить параллельно при необходимости обеспечить более высокую суммарную мощность (см. рис. 2),

Рис. 1. Двунаправленный понижающий преобразователь с постоянным коэффициентом K = 1/16 может работать и как повышающий преобразователь с K = 16/1

Рис. 2. При необходимости повысить суммарную мощность шинные преобразователи (BCM) включаются параллельно

Решение практических задач с помощью преобразователей без гальванической развязки

Поскольку величина напряжения питания 48 В отвечает стандарту SELV, преобразователь без гальванической развязки с постоянным коэффициентом является оптимальным выбором д ля использования в каскаде пре образования DC/DC из 48 В в 12 В, а современные 12‑В PoL-стабилизаторы в состоянии справиться с вариациями входного напряжения. Неизолированный нестабилизированный преобразо-

И с т о ч н и к и и м о д у л и п и та н и я

а их выходы соединить последовательно (см. рис. 3), чтобы увеличить выходное напряжение, т. е., по сути, изменить коэффициент K. В настоящее время системы электропитания претерпевают значительные изменения, обусловленные спросом на приложения с более высокой мощностью. Системы с новыми функциями и усовершенствованными характеристиками требуют использования PDNсистем с напряжением электропитания 48 В. Например, безопасное низкое напряжение применяется в электромобилях разных видов в соответствии со стандартом SELV (Safety Electrical Low Voltage). Из уравнения P = V∙I для расчета активной мощности и PПОТЕРЬ = I2R для мощности потерь видно, почему PDN-схемы с более высоким напряжением обладают более высоким КПД. При заданном значении мощности величина тока в четыре раза ниже при 48 В, чем у 12‑В системы, а потери меньше в 16 раз. Для передачи тока такой величины применяются кабели меньшего размера, веса и стоимости. Мощность 48‑В аккумулятора, применяемого в гибридных электромобилях, в четыре раза превышает мощность 12‑В источника питания. Такую дополнительную мощность можно использовать в силовых агрегатах, чтобы, например, уменьшить вредные выбросы, повысить эффективность расхода бензина, повысить безопасность и задействовать новые функции информационно-развлекательных систем автомобилей. Поддержка приложений искусственного интеллекта (ИИ) центрами обработки данных (ЦОД) вызвала необходимость увеличить мощность стоек до уровней выше 20 кВт, что сделало неэффективным использование 12‑В систем распределенного питания. Применение 48‑В PDN-систем в ЦОД обеспечивает те же преимущества, что и в случае с гибридными элек тромобилями. И в том , и в другом случае по-прежнему используются 12‑В нагрузки и понижающие PoL-стабилизаторы для минимизации количества замен.

Рис. 3. Для повышения уровня выходного напряжения выходы шинных преобразователей соединяются последовательно

электронные компоненты №06 2020

шествующих поколений в 48‑В инфраструктуру или использовать новейшие графические процессоры в существующих 12‑В стойках. Высоковольтные системы с гальванической развязкой

И с т о ч н и к и и м о д у л и п и та н и я

Рис. 4. В децентрализованной архитектуре преобразователи меньшего размера и меньшей мощности установлены рядом с 12-В нагрузками

Рис. 5. Организация питания в существующих системах

ватель с постоянным коэффициентом является самым эффективным высокомощным шинным преобразователем, который позволяет повысить удельную мощность, а так же уменьшить рассеиваемую мощность и стоимость решения. Благодаря высокой плотности допускается использование новых децентрализованных схем распределения питания в гибридных автомобилях, где неизолированные преобразователи с постоянным K устанавливаются рядом с нагрузкой (см. рис. 4). В результате схема питания автомобиля состоит из м ноже с тв а не б ольши х 4 8 ‑ В POL-преобразователей с более высокими КПД. В сверхкомпактных (blade) сервера х такой пр е о бразов ате ль 48/12 В с постоянным коэффициентом можно установить на материнск ую плату рядом с понижающими стабилизаторами. Многие новые платы аппаратных ускорителей д ля приложений ИИ,

www.elcomdesign.ru

например платы SXM фирмы Nvidia и OAM участников проекта OCP (Open Compute Project) оснащены 48‑В входом для обеспечения мощности на уровне 500–750 Вт для процессоров ИИ. Чтобы эти высокоэффективные платы можно было использовать в облачных вычислениях и стативах серверов с унасле дов анны м и 12‑ В м атеринск и м и платами, требуется выполнить преобразование 12/48 В (см. рис. 5). Установка двунаправленного неизолированного преобразователя с K = 1/4 в качестве повышающего преобразователя 12/48 В (K = 4/1) на платы этих ускорителей или в распределенный модуль 12/48 В позволяет легко удовлетворить текущие и последующие требования стативов более старых систем. Двунаправленный преобразователь NBM2317 компании Vicor осуществляет эффективное преобразование 48/12 В, и наоборот. Работа в двух направлениях позволяет интегрировать платы пред-

Электромобили Напряжение аккумуляторов электромобилей должно намного пре вышать 48 В. Например, у гибридных автомобилей первичное напряже ние питания, как правило, составляет 400 В. Напряжение этого уровня преобразуется в 48 В для питания нагрузок в подсистемах трансмиссии и шасси. Для обеспечения быстрой зарядки аккумулятор на 400 В заряжается от установки со стабилизированным напряжением 800 В по постоянному току через преобразователь 800/400 В. В приложениях с преобразованием 400/48 В и 800/400 В можно эффективно применять массивы параллельно установленных преобразователей с постоянными K = 1/8 и 1/2, соответственно, с высокой удельной мощностью и КПД выше 98%. Стабилизация обеспечивается либо до, либо после преобразовательного каскада. Повышение удельной мощности и КПД без стабилизации особенно хорошо работает в высокомощных приложениях; при этом упрощается их тепловой режим. Высокопроизводительные вычисления В высокопроизводительных вычислительных системах c экзафлопсным быстродействием используется напряжение питания 380 В пос тоянного тока, поскольку мощность серверных стоек, как правило, превышает 100 кВт. В этих приложениях изолированные преобразователи с постоянными K равными 1/8 и 1/6 интегрируютс я в blade-серверы или устанавливаются на мезонинные платы стойки для подачи напряжения питания величиной 48 или 12 В на материнские платы. Далее происходит стабилизация напряжения с помощью 12‑В многофазного массива понижающих преобразователей или усовершенствованных высокоэффективных PoL-схем преобразования 48 В. И в этом примере преобразователи с постоянным коэффициентом играют важную роль в обеспечении высокой эффективности системы распределенного питания. Кабельные дроны В качестве примера высоковольтного приложения, которому требуется изолированный преобразователь, можно привести дроны (см. рис. 6). Длина силовых кабелей для дронов может превышать

400 м. Поскольку дроны вынуждены поднимать и удерживать эти кабели на весу, использование напряжения питания величиной 800 В значительно сокращает вес, размеры и стоимость кабелей, повышая эффективность устройств. Встроенный преобразователь с постоянным коэффициентом 1/16 преобразует 800 В в 48 В, обеспечивая высокоэффективное решение для электронной начинки и работы с видеозаписью.

Рис. 6. Благодаря более высокому напряжению питания облегчается вес кабелей, что позволяет кабельным дронам подниматься выше

ного преобразователя 380/48 В в системы 5‑го и 4‑го поколений подается питание величиной 48 В по недорогому силовому кабелю малого диаметра, расчитанному на 380 В. Выводы

Спрос на высокоэффективные системы постоянно растет. Современные промышленные и высокопроизводительные вычислительные системы, связь и сетевая инфраструктура, автономный транспорт и другие транспортные приложения – далеко не все области приме-

нения, где имеется потребность в более высоком напряжении питания. Во всех этих применениях четко прослеживается одно общее требование: обеспечить очень высокую мощность, воспользовавшись DC/DC-преобразователями, которые позволяют сократить занимаемое пространство и вес. Конвертеры с постоянным коэффициентом преобразования представляют собой универсальное решение, позволяющее улучшить характеристики приложений за счет более эффективных систем распределенного питания.

Новости технологий

| TSMC создала первую в мире платформу для проектирования 7-нм чипов |

Компания TSMC объявила о выпуске первой в мире платформы для проектирования микросхем для автомобильной электроники по нормам 7 нм. Как утверждается, платформа Automotive Design Enablement Platform (ADEP) позволит ускорить проектирование микросхем для систем помощи водителю, искусственного интеллекта и автономного вождения. Платформа ADEP сертифицирована по стандарту ISO 26262, определяющему функциональную безопасность. Она включает IP-ядра стандартных элементов, например линии GPIO и ячейки памяти SRAM. Производитель отмечает, что все фундаментальные IP-ядра прошли строгую квалификацию в соответствии со стандартом AEC-Q100 Grade‑1, обеспечивая еще один уровень гарантии качества. Кроме того, предлагаются наборы для проектирования процессов и поддержка сторонних производителей, что позволяет клиентам сосредоточить свои усилия на уникальных возможностях, которые отличат их продукцию на рынке. Компания TSMC обещает поддерживать весь жизненный цикл продукции для автомобильной электроники. www.russianelectronics.ru

электронные компоненты №06 2020

И с т о ч н и к и и м о д у л и п и та н и я

Мобильная связь пятого поколения Как известно, новые системы связи 5‑го поколения оснащены оборудованием, мощность которого в пять раз превышает потребляемую мощность оборудования 4‑го поколения. PDNсистемы 4‑го поколения рассчитаны на 48 В, а питание подается по кабелю наземной сети. Существенное возрастание уровня мощности оборудования 5‑го поколения потребовало бы использования силовых кабелей очень большого диаметра, ес ли бы сис темы электропитания продолжали использовать напряжение 48‑В. Телекоммуникационные компании изучают преимущества использования PDN-систем, рассчитанных на 380 В постоянного тока, чтобы значительно сократить диаметр кабелей. Наземная 48‑В система питания с двунаправленным преобразователем с постоянным K = 1/8 в повышающем режиме доводит напряжение величиной 380 В (K = 8/1) до базовой станции. Благодаря использованию на ней стабилизирован-

Компактное зарядное устройство USB Type-C Наззарено Россетти (Nazzareno Rossetti) На рынке предлагается немало зарядных устройств USB Type-C, но, похоже, это первое из них, которое обладает лаконичной архитектурой, позволяющей сократить место на печатной плате за счет высокого уровня интеграции.

И с т о ч н и к и и м о д у л и п и та н и я

Введение

Новый с тандарт USB 3.1 Type - C в очень большой мере упрощает соединение электронных устройств и их питание. В этом стандарте разъем USB Type-C применяется для передачи данных и энергии между любыми двумя устройствами мощностью до 100 Вт (см. рис. 1). Следовательно, от системы зарядки батарей требуется большая функциональность; при этом массогабаритные показатели этой системы уменьшаются с появлением новых переносных устройств. В статье рассматривается типовая зарядная система USB Type-C и способы, позволяющие упростить ее проектирование, обеспечить более высокую мощность и больший функционал в малом занимаемом пространстве.

Стандарт USB 3.1 Type-C требует, чтобы устройство предварительно согласовало передачу энергии либо с ее источником, либо с потребителем. Разъемы на обоих концах кабеля Type-C идентичны друг другу, благодаря чему допускается обратное подключение. Каждый разъем можно подключать к устройству и той, и другой стороной. Стандарт USB Type-C также предусматривает передачу энергии в двух направлениях. Это значит, что возможна двунаправленная передача мощности между периферийным и хостустройством. Благодаря такому подходу исключается необходимость в использовании многих проприетарных блоков питания и USB-кабелей разных типов, что сокращает количество проводов, используемых настольными компьютерами. Определение конфигурации канала

Рис. 1. Разъем USB-C и смартфон Стандарт USB 3.1 Type-C

USB 3.1 Type-C (т. н. USB-C) – новый стандарт, который поддерживает высокие скорости обмена данными и передачу более высокой мощности между элек тронными устройствами. Ско рость, достигаемая при использовании USB 3.1, составляет 10 Гбит/с. Ток достигает 3 А при использовании стандартных кабелей и 5 А – при использовании усовершенствованных кабелей. Напряжение шины регулируется до уровня 20 В (60 Вт при 3 А в случае стандартного кабеля и 100 Вт при 5 А – при использовании усовершенствованного кабеля). Поскольку для работы многих современных ноутбуков требуется менее 100 Вт, новые модели можно заряжать через USB-порт также, как другие небольшие устройства.

www.elcomdesign.ru

Новой функцией с тандарта USB Type-C является определение конфигурации канала (configuration channel, CC). Логический блок этого канала обнаруживает наличие кабеля, его ориентацию и токонесущую способность. Обнаружение кабеля происходит по факту снижения напряжения на одной из двух CC-линий. Ориентация кабеля определяется по тому, на какой из двух линий снизилось напряжение. Токонесущая способность определяется значениями

согласующих резисторов. Еще одной новинкой этого стандарта является холодное подключение – подача напряжения 5 В только после успешного завершения сквозного детектирования. Эта функция делает обязательным определение конфигурации канала в приложениях USB Type-C. Типовая система USB 3.1

На рисунке 2 представлен входной каскад типовой системы по управлению питанием портативных устройств, к которому подк лючаетс я кабе ль USB Type-C. Питание осуществляется от литиево‑ионной батареи. Напряжение V BUS питает зарядное устройство, систему и остальные блоки. Батарея заряжается через QBATT, работающий в качестве источника тока. После отключения напряжения V BUS батарея питает систему через QBATT, работающий как замкнутый ключ. Согласно протоколу USB Type- C, с помощью выводов CC1 и CC2 (см. рис. 2) осуществляется соединение порта и его управление, определяется ориентация кабеля и функции. Зарядное устройство на рисунке 2 также поддерживает протокол Battery Charger 1.2 (BC1.2). Типовое решение

Типовая реализация батарейной системы обходится очень дорого и зани-

Рис. 2. Типовая система USB 3.1 Type-C по управлению питанием

порта. Микросхема MAX77860 самостоятельно устанавливает предельное значение входного тока зарядного устройства, позволяя ему заряжать батарею с помощью источника питания, работающего на полную мощность, что ускоряет процесс зарядки. Кроме того, при использовании такого подхода упрощается разработка программного обеспечения для хоста. Универсальность решения

Обратная совместимость обеспечивает поддержку приложений, которые работают и с адаптерами USB Type-C, и с адаптерами более ранних версий. Встроенный АЦП высвобождает ресурсы микроконтроллера, обеспечивая точные измерения напряжения, тока и температуры для управления питанием.

Рис. 3. Размеры интегрального решения на печатной плате

мает много места на печатной плате. На рисунке 3 указан размер печатной платы и блок обнаружения, реализованный с помощью двух ИС. Суммарная площадь решения, состоящего из двух кристаллов, и пассивных компонентов составляет 61 мм2. Высокоинтегрированное решение

ми компонентами занимает площадь 42 мм2, что на 30% меньше, чем в исходном варианте. Простота использования

В типовой системе микроконтроллер или хост-микропроцессор задает предельное значение входного тока зарядного устройства исходя из уровня тока, который определила ИС контроллера

Обратное повышение напряжения

USB On-The-Go (OTG) – спецификация, позволяющая USB-устройствам, в т. ч. переносным компьютерам и терминалам, игровым плеерам и приборам для мониторинга состояния здоровья работать в качестве хостов. Благодаря такой возможности допускается подключение к этим хостам

Интегральное зарядное устройство USB Type-C

Уровень интеграции микросхемы MAX77860 еще выше. Это высокоэффективное зарядное устройство с одним входом, переключением режимов и функцией обнаружения USB Type-C CC (см. рис. 6) предназначено для зарядки одно элементных литиево‑ионных батарей. Микросхема поддерживает приложения мощностью до 15 Вт, имеет функцию повышения напряжения в обратном направлении, высоковольтный LDO-стабилизатор и 6‑канальный АЦП. Это импульсное зарядное устройство обладает надежной тепловой защитой, может работать в режимах поддержания постоянного выходного тока (СС) или постоянного выходного напряжения (CV). Устройство программируется через интерфейс I2C с поддержкой широкого диапазона размеров батареи и нагрузок системы. ИС выполнена в компактном корпусе WLP размером 3,9×4,0 мм. Соответствующая топология печатной платы показана на рис унке 7. Интегральное решение с пассивны-

Рис. 4. Синими линиями обведены блоки, которые можно интегрировать в микросхему

И с т о ч н и к и и м о д у л и п и та н и я

Сократить перечень элементов можно за счет повышения уровня интеграции. На рисунке 4 синими линиями обведены те блоки, которые можно интегрировать в одну ИС по управлению питанием. Благодаря такой интеграции система значительно упрощается (см. рис. 5).

Рис. 5. Интегральное зарядное устройство

электронные компоненты №06 2020

Защищенный LDO-стабилизатор

В состав рассматриваемой микросхемы входит защищенный высоковольтный линейный LDO-стабилизатор с выходным программируемым напряжением 3,3; 4,85; 4,9 и 4,95 В, которое программируется через I2C интерфейс. Этот стабилизатор, используемый для питания низковольтных USB-систем, включается, когда CHGIN ≥ 3,2 В, и отключается, если CHGIN превысит пороговую величину перенапряжения. Выводы

И с т о ч н и к и и м о д у л и п и та н и я

Рис. 6. ИС MAX77860 по управлению питанием

других USB-устройств или аксессуаров – флэш-накопителей, цифровых камер, компьютерных мышей или клавиатур. Спецификация USB Type-C позволяет также осуществлять питание других ус тройс тв с помощью фу нк ции п овыш ени я напр я жени я в обратном направлении. На рисунке 8 показано, как реализуются функции зарядки и обратного повышения. В режиме зарядки, когда ключ S1 замкнут, импульсный стабилизатор (ключи S2 и S3 работают в режиме понижения) уменьшает напряжение CHGIN, подаваемое на вывод SYS. С этого вывода линейный стабилизатор, управляющий

проходным ключом S 4, заряжает батарею (S4 вкл.). В режиме повышения напряжения в обратном направлении (OTG) в отсутствие входного напряжения питания, напряжение батареи (S 4 полностью включен) повышается (S2 и S3 синхронно переключаются в повышающем режиме) перед выводом CHGIN (S1 вкл.). В этой схеме не требуется дополнительный дроссель для реализации режима обратного повышения. Повышенное напряжение на CHGIN используется для осуществления функции USB OTG. Ключ S1 разомкнут в батарейном режиме (battery-only mode).

Новый с тандарт USB 3.1 Type - C требует большей функциональности от систем батарейной зарядки, даже если они интегрированы в портативные устройства, массогабаритные параметры которых постоянно уменьшаются. Мы рассмотрели типовое решение для зарядки с невысоким уровнем интеграции и, соответственно, большим перечнем элементов и занимаемой площадью. Высокоинтегрированное решение, например, 3‑А импульсное зарядное ус тройс тво USB Type - C MAX77860, существенно упрощает систему за счет интеграции зарядного устройства, трак та питания, безопасного LDO стабилизатора, АЦП, функций обнаружения USB-C Configuration Channel и BC 1.2 в одном небольшом корпусе WLP размером 3,9×4,0 мм с шагом между выводами 0,4 мм. Благодаря интеграции функционала OTG отпала необходимость в использовании дополнительного дросселя. Такой уровень интеграции упрощает разработку, обеспечивает подачу более высокой мощности и реализацию большего числа функций при меньшей площади, занимаемой на печатной плате.

Рис. 7. Площадь, которую занимает на плате высокоинтегрированное решение, составляет всего 42 мм2

www.elcomdesign.ru

Рис. 8. Работа в режимах зарядки и повышения напряжения в обратном направлении

Быстрое обнаружение перегрузки по току с помощью сигма-дельта модуляторов с оптической изоляцией Вонг Чи Хенг (Wong Chee Heng), инженер-проектировщик микросхем; Лим Чиун Пин (Lim Shiun Pin), инженер по техническому маркетингу

АЦП и ЦАП

Введение

Построение современной системы управления двигателем требует наличия средств измерения и контроля таких параметров как ток фазы, крутящий момент, направление и скорость вращения, значение тока и напряжения на шине и т. д. По мере совершенствования двигателей, увеличения мощности, скорости вращения, появления многоосевых и разнонаправленных систем точность измерения этих параметров становится критически важной. Как известно, за измерение крутящего момента, скорости и направления вращения в системах измерения отвечает энкодер, а сигма-дельта (Σ-Δ) модулятор обеспечивает высокую точность и линейность измерения тока и напряжения на шине в широком динамическом диапазоне. Традиционно для измерения тока используются трансформаторы или датчики Холла, но эти решения слишком громоздки для современных систем, а результаты и точность их измерений в значительной мере зависят от рабочей температуры двигателя. Куда более компактный и экономичный способ измерения заключается в подключении шунтового резистора непосредственно к сигма-дельта модулятору. При этом сопротивление резистора выбирается таким образом, чтобы максимальное значение тока в измеряемом диапазоне соответствовало напряжению ±50 мВ (для модуляторов ACPL–C799) или ±200 мВ для других сигма-дельта модуляторов. При таком напряжении потери мощности из-за рассеивания на резисторе сводятся к минимуму. На рисунке 1 представлена схема, иллюстрирующая принцип измерения тока фазы двигателя, а также значение тока и напряжения на шине. Сигма-дельта модуляторы с оптической изоляцией

Одними из самых дорогостоящих компонентов в системе управления двигателем являются силовые переключатели – IGBT- или MOSFET-транзисторы. Эти компоненты имеют высокую частоту переключения и могут являться источником нежелательных всплесков напряжения и шума, которые, в свою очередь, отрицательно сказываются на работе микро-

контроллера (МК). Использование сигма-дельта модуляторов с оптической изоляцией позволит избежать негативного влияния на микроконтроллер и повысить точность измерения. Минимальное значение пути тока утечки модулятора равно 0,5 мм. Эти устройства обеспечивают отличную защиту от перенапряжения и прекрасно подходят для приложений с высокой отказоустойчивостью. Величина пути тока утечки оптических изоляторов превосходит аналогичный параметр индуктивных или емкостных изоляторов, у которых его значение составляет примерно 0,033 мм. Сигма-дельта модуляторы ACPL–C799, ACPL–C797, ACPL‑796J и ACPL‑798J компании Broadcom преобразуют аналоговый входной сигнал в цифровой поток данных с помощью сигмадельта модулятора 2‑го порядка с избыточной дискретизацией [1–3]. Среднее время обработки и передачи данных у модулятора пропорционально величине напряжения входного сигнала. Мы рассмотрим сигма-дельта модуляторы ACPL‑796J и ACLP-C799 с оптической изоляцией. Типы сигма-дельта модуляторов

Сигма-дельта модуляторы делятся на два типа в зависимости от того, где расположен их источник тактирования: модуляторы с внутренней синхронизацией и внешней синхронизацией. Источник тактирования модуляторов с внутренней синхронизацией располагается на первичной стороне изоляционного барьера, где и чип модулятора/энкодера. Рабочая частота источника составляет 10 или 20 МГц. Тактовый сигнал кодируется вместе с входным сигналом и передается через изоляционный барьер на декодер, где происходит их разделение. Источник тактирования для сигма-дельта модулятора с внешней синхронизацией подключается к входу, расположенному на вторичной стороне изоляционного барьера, после чего тактовый сигнал передается на декодер и чип модулятора через отдельную оптопару. Диапазон частоты работы внешнего источника тактирования составляет 5–25 МГц. В модуляторах обоих типах после передачи входного сигнала через изоляционный барьер происходит его преобразование в цифровую

Таблица 1. Входное напряжение сигма-дельта модулятора и соответствующее значение плотности единиц и нулей на выходе модулятора ACPL-796J, напряжение на входе (±50 мВ)

ACPL-C799, напряжение на входе (±200 мВ)

Плотность единиц

Плотность нулей

Код АЦП (16b, децимация)

Полный диапазон измерений

640 мВ

160 мВ

–

+Полный диапазон

+320 мВ

+80 мВ

100%

65,535

+Рекомендуемый диапазон

+200 мВ

+ 50 мВ

81,25%

18,75%

53,248

Аналоговый вход

Ноль

50%

32,768

–Рекомендуемый диапазон

–200 мВ

–50 мВ

18,75%

81,25%

12,288

–Полный диапазон

–320 мВ

–80 мВ

100%

www.elcomdesign.ru

Рис. 1. Сигма-дельта-модулятор для измерения тока и напряжения на шине в системе управления двигателем

АЦП и ЦАП

электронные компоненты №06 2020

Рис. 2. Упрощенные структурные схемы сигма-дельта модуляторов с внутренней и внешней синхронизацией

форму (нули и единицы) на декодере. На рисунке 2 представлены упрощенные структурные схемы сигма-дельта модуляторов с внутренней и внешней синхронизацией. Таким образом, сигнал, представленный в аналоговом формате на входе, преобразуется в цифровой сигнал на выходе. В таблице 1 приведены данные по напряжению входного сигнала с идеальными значениями плотности нулей и единиц на выходе и с кодом АЦП. Данные, полученные с выхода модулятора в битовом формате, отправляются в микроконтроллер для дальнейшей обработки. Для усреднения или прореживания массива дискретизованных битов используются специальные прореживающие фильтры Sinc3 в формате ПЛИС или микропроцессора. Регулировка разрешения и задержки фильтра настраивается путем изменения коэффициента прореживания (чем больше длительность задержки, тем выше разрешение).

АЦП и ЦАП

Быстрое обнаружение перегрузки по току

Перегрузка по току или короткое замыкание в IGBTтранзисторах может возникнуть в результате межфазного замыкания или замыкания на землю. Обычно IGBT-транзисторы сохраняют работоспособность при замыкании длительностью до 10 мкс [5]. Как следствие, для сохранения работоспособности системы и отключения питания за данный промежуток времени на микроконтроллер должен поступить соответствующий сигнал об ошибке. Чтобы сгенерировать сигнал об ошибке, сначала необходимо обнаружить перегрузку по току. Одним из методов обнаружения является измерение фазного тока с использованием сигма-дельта модулятора. Ключевым моментом в данном случае является подбор разрешения измерений, т. к. при слишком высоком разрешении

время обработки выходных данных может превысить доступные 10 мкс, что, в свою очередь, приводит к необратимому разрушению дорогостоящих компонентов и выходу из строя всей системы управления. Примером того, как реализовано обнаружение перегрузки по току с помощью сигма-дельта модулятора, является использование фильтров Sinc3 с коэффициентом прореживания 256 для измерений с высоким разрешением и с коэффициентом прореживания 32 для быстрого обнаружения перегрузки по току [6]. При частоте тактирования 20 МГц время задержки составит 12,8 и 1,6 мкс для фильтров с коэффициентом прореживания 256 и 32, соответственно. Однако помимо задержки фильтра, следует учитывать дополнительные 0,5 мкс, необходимые для преодоления сигналом изоляционного барьера модулятора. Чтобы еще больше сократить время отклика, вместо фильтра Sinc3 с низким коэффициентом прореживания можно использовать логический блок обнаружения неисправностей. Он представляет собой совокупность логических элементов и триггеров и позволяет обнаружить выдаваемый модулятором цифровой сигнал неисправности, состоящий из N‑бит массива с состоянием 1 или 0. Примеры схем, реализующих эти решения на базе модуляторов с внутренней и внешней синхронизацией, представлены на рисунках 3–4. Логический блок обнаружения неисправностей можно реализовать на базе ПЛИС или микроконтроллера. В качестве примера можно привести массив N триггеров D‑типа. Их выходы подключены к логическому элементу AND (И) для обнаружения битов с высоким логическим уровнем (1) и к логическому элементу NOR (НЕ-ИЛИ) для обнаружения битов с низким логическим уровнем (0). Когда первый бит массива достигает последнего триггера (n = N), выход логического элемента

Рис. 3. Обработка данных с сигма-дельта модулятора с внешней синхронизацией ACPL-796J (обработка с высоким разрешением через фильтр ПЛИС и быстрого отклика через ее логический блок)

www.elcomdesign.ru

AND переключается на высокий уровень. Аналогично, сигнал на выходе элемента NOR приобретает высокий уровень при достижении последнего бита с низким уровнем последнего триггера. Эта схема позволяет организовать обратную связь с микроконтроллером для своевременного обнаружения ошибки в передаче и перегрузки по току. На рисунке 5 показана логика блока обнаружения неисправностей для массива из 20 бит с высоким уровнем, а на рисунке 6 – для массива из 20 бит с низким уровнем. Работа блока была протестирована на базе платы ACPL–C799 Xilinx FPGA (см. рис. 7); результаты тестирования, в т. ч. измеренное время отклика, показаны на рисунке 8. Из таблицы 1 следует, что плотность битов высокого и низкого уровня (нулей и единиц) пропорциональна уровню напряжения на входе сигма-дельта модулятора. Массив из 20 бит высокого уровня обнаруживается при уровне входного напряжения +270 мВ для ACPL‑796J и +63 мВ – для ACPL–C799. Аналогично, массив из 20 бит низкого уровня обнаруживается при

уровне входного напряжения –270 мВ для ACPL‑796J и –63 мВ в случае с ACPL–C799. Если шунтирующий резистор выбран так, что диапазон входного напряжения составляет ±200 мВ для ACPL‑796J и ±50 мВ в случае с ACPL–C799, что соответствует максимальному значению измеряемого тока, то в нормальных условиях работы массив на выходе модулятора не формируется. В случае же перегрузки по току входное напряжение сразу выйдет за пределы установленного диапазона, и на выходе модулятора сформируется массив из 20 бит высокого или низкого уровня. Логический блок обнаружения неисправностей фиксирует этот массив и сообщает о неисправности в течение 1,54 мкс (для ACPL‑796J) или 2,52 мкс (для ACPL–C799) с начала возникновения перегрузки. На рисунке 8 представлен пример фиксации 20‑бит массива высокого уровня на выходе модулятора ACPL–C799. По результатам измерения видно, что процесс длится в течение 20 тактовых циклов при частоте 10 МГц (фиксация массива) и пяти дополнительных циклов, которые требуются для преодоле-

Рис. 4. Обработка данных с сигма-дельта модулятора с внутренней синхронизацией ACPL-C799 (обработка с высоким разрешением через фильтр ПЛИС и быстрого отклика через ее логический блок)

АЦП и ЦАП

Рис. 5. Логика блока обнаружения неисправности для 20-бит массива с высоким уровнем

Рис. 6. Логика блока обнаружения неисправности для 20-бит массива с низким уровнем

электронные компоненты №06 2020

АЦП и ЦАП

Рис. 7. Тестирование блока обнаружения неисправностей на оценочной плате ACPL-C799 Xilinx FPGA

ния сигналом изоляционного барьера модулятора. При использовании модулятора ACPL‑796J можно добиться того, что время отклика не превысит 1 мкс при условии, что диапазон входного напряжения модулятора составит до ±50 мВ. В таком случае при возникновении перегрузки по току уровень входного напряжения выходит за пределы ±100 мВ и соответствует 5 бит высокого или низкого уровня на выходе сигма-дельта модулятора. В случае с ACPL–C799 можно уменьшить время отклика, если для фиксации неисправности используется массив из 15 или 10 бит. Однако при меньшем диапазоне входного напряжения сокращается отношение сигнал/шум (SNR) во время работы, что также следует учитывать при проектировании системы. В таблице 2 представлены разные конфигурации систем для обнаружения неисправностей за счет фикса-

Рис. 8. Измеренное время отклика модулятора ACPL-C799 при фиксации 20-бит массива высокого уровня

Таблица 2. Обнаружение неисправности за счет фиксации массива из N бит в зависимости от времени отклика и диапазона входного напряжения Сигма-дельта модулятор

ACPL-796J

ACPL-C799

Размер массива битов с высоким или низким уровнем сигнала

Значение напряжения при возникновении неисправности и генерации массива битов

Рекомендуемый диапазон входного напряжения

5 бит

±100 мВ

±50 мВ

Частота тактирования

Время отклика 773 нс

10 бит

±205 мВ

±100 мВ

15 бит

±240 мВ

±200 мВ

20 бит

±270 мВ

±200 мВ

1,54 мкс

10 бит

±47 мВ

±30 мВ

1,39 мкс

15 бит

±57 мВ

±40 мВ

20 бит

±63 мВ

±50 мВ

www.elcomdesign.ru

40 МГц

10 МГц

1,01 мкс 1,36 мкс

2,02 мкс 2,52 мкс

ции массива из N бит в зависимости от времени отклика и рекомендуемого нормального диапазона входного напряжения. Выводы

Своевременное отключение системы управления двигателем во время перегрузки по току предотвращает повреждение и выход из строя дорогостоящих силовых полупроводниковых коммутационных компонентов. Сигма-дельта модуляторы с оптической изоляцией не только обеспечивают измерение тока с высоким разрешением и надежной

защитой от сбоев, но также позволяют детектировать короткое замыкание при перегрузке по току с последующей передачей массива битов в схему обнаружения на базе Sinc3‑фильтра или простых логических элементов. Такой функционал можно реализовать, не меняя конфигурацию оборудования и не увеличивая количество компонентов системы. Литература 1. ACPL–C799 Optically Isolated ±50 mV Sigma-Delta Modulator. Pub‑005830 Data Sheet. 26 Aug 2016.

2. ACPL–C797 Optically Isolated ±50 mV Sigma-Delta Modulator. AV02–2581EN Data Sheet. 18 Nov 2013. 3. ACPL‑796J Optically Isolated Sigma-Delta Modulator. AV02–1670EN Data Sheet. 6 Mar 2015. 4. ACPL‑798J Optically Isolated Sigma-Delta Modulator with LVDS Interface. AV02–4339EN Data Sheet. 8 Aug 2015. 5. J. Li, R. Herzer, R. Annacker, B. Koenig. Modern IGBT/FWD Chip Sets For 1200 V Applications. Semikron Elektronik GmbH. 2007. 6. Safe and Accurate Isolated Current Sensing in Motor Control using Optically Isolated Sigma- Delta Modulators. AV0 0 – 0278EN Technical Note. 18 Dec 2013.

Новости технологий

| Об архитектуре графических кристаллов Nvidia Ampere |

www.russianelectronics.ru

электронные компоненты №06 2020

АЦП и ЦАП

Архитектура Ampere дебютирует в форме A100 – мощнейшего видеопроцессора для центров обработки данных (ЦОД), на базе которого выполнена новая система DGX-A100 от Nvidia. Для уточнения: этот «монстр» с 6192 ядрами CUDA предназначен для обработки данных и оптимизирован для задач по глубинному обучению. Как и в случае с архитектурами Volta и Pascal, Ampere представлена в форме огромного видеоадаптера, предназначенного для ускорения задач ЦОД. Но, в отличие от Volta, Ampere появится и в видеоплатах потребительского класса. Благодаря новой архитектуре ассортиментный ряд видеопроцессоров Nvidia упростится, т. к. она заменит и Volta в чипах для ЦОД, и Turing в потребительских GeForce. Аппаратное обеспечение адаптеров будет варьироваться в зависимости от целевого рынка. Видеокристаллы Ampere станут выпускаться по технологическому процессу 7 нм, в отличие от 12‑нм Turing и Volta. Компания AMD первой перешла на технологию 7 нм, предложив серию видеоплат Radeon RX 5000 на базе архитектуры Navi, упомянутые показатели которых оказались существенно лучше по сравнению с предшественниками. Если прежние платы Radeon сильно нагревались и расходовали много электроэнергии, то 7‑нм Navi стали соперничать с аналогами из семейства GeForce и по производительности, и по экономичности. Можно также напомнить, что когда в прошлом Nvidia перешла с техпроцесса 28 нм, по которому выпускались адаптеры серии GeForce GTX 900, на 16 нм в GTX 10, произошел резкий скачок в быстродействии. Переход на более компактные транзисторы позволил разместить гораздо больше ядер в прежнем объеме. В Tesla V100, флагмане архитектуры Volta, кристалл площадью 815 кв.мм вмещал 21,1 млрд транзисторов, 5120 ядер CUDA и 80 поточных мультипроцессоров. А в A100 Ampere на кристалле площадью 826 кв.мм умещаются 54 млрд транзисторов, 6912 ядер CUDA и 108 мультипроцессоров. Таким образом, сделан большой шаг вперед, благодаря чему видеоадаптеры станут значительно быстрее. Для сравнения, в GeForce RTX 2080 Ti на площади 754 кв.мм размещено 4352 ядер CUDA, тогда как в видеокристаллах следующего поколения их станет намного больше. С переходом на Volta и Turing в видеопроцессорах Nvidia появились тензорные ядра, ускоряющие задачи машинного обучения. В GeForce с их помощью реализована технология Deep Learning Super Sampling (DLSS) 2.0, благодаря которой устраняются зернистые артефакты, являющиеся результатом работы функции трассировки лучей в реальном времени. В A100 используются тензорные ядра 3‑го поколения, которые существенно увеличивают скорость выполнения операций над числами с плавающей запятой половинной точности, а также позволяют работать с числами одинарной и двойной точности. Пока не ясно, будут ли новые тензорные ядра использоваться в потребительских видеоадаптерах, но с учетом того, насколько активно Nvidia пропагандирует DLSS и средства поддержки машинного обучения, скорее всего, в GeForce следующего поколения механизмы искусственного интеллекта будут выведены на новый уровень. В частности, это понадобится для повышения производительности функции трассировки лучей: если эффектов реалистичного освещения станет больше, придется улучшить и средства устранения шума. DGX-A100 поддерживает новую версию PCIe 4.0. Самыми первыми видеокристаллами, в которых появилась поддержка этого интерфейса, стали процессоры AMD серии Ryzen 3000. PCIe 4.0, напомним, обеспечивает гораздо более высокую скорость обмена данными по сравнению с PCIe 3.0, который применяется уже несколько лет. Строго говоря, на текущий момент наличие нового интерфейса в видеоадаптерах большого значения не имеет. Если бы адаптеры AMD Radeon 5700 архитектуры Navi были оснащены PCIe 3.0, они работали бы не быстрее, чем с PCIe 4.0. Кроме того, большинство существующих видеоплат еще не исчерпывают возможностей PCIe 3.0. Однако сама тенденция обновления имеет значение. Как показало тестирование, проведенное TechPower, адаптер«монстр» GeForce RTX 2080 Ti, который стоит в США 1200 долл., обеспечивает небольшую, но измеримую прибавку в производительности при работе в слоте PCIe 3.0 x16 по сравнению с PCI 3.0 x8. Это значит, что он приближается к границам возможностей PCIe 3.0.

Выбор топологии импульсных силовых каскадов Франческо ди Доменико (Francesco Di Domenico), руководитель отдела прикладного проектирования, Infineon Technologies К числу преимуществ коммутационных устройств на основе широкозонных технологий GaN и SiC относится меньшее сопротивление открытого канала и сравнительно высокая теплопроводность, что позволяет улучшить эффективность и работоспособность конечного приложения при более высокой температуре. У импульсных источников питания на основе GaN и SiC повышается КПД и плотность мощности. Однако для реализации этих преимуществ недостаточно только заменить кремниевые устройства широкозонными, а в некоторых случаях оптимальным является выбор кремниевой технологии.

Дискретные силовые компоненты

Высокоэффективные импульсные источники питания

К настоящему времени участники отрасли сделали выбор в пользу нескольких коммутационных технологий, в т. ч. для применения в каскаде коррекции коэффициента мощности (ККМ) и изолированном высоковольтном DC/DC-преобразователе. Для начала мы сравним разные коммутационные технологии, чтобы понять, действительно ли решения на основе GaN или SiC лучше кремниевых аналогов. У кремниевых устройств, выполненных по технологии Superjunction, и у SiC MOSFET – схожие вертикальные структу-

Рис. 1. У технологий Si Superjunction и SiC MOSFET – вертикальная структура, а у GaN MOSFET – горизонтальная

ры, тогда как ключи GaN MOSFET имеют горизонтальную структуру. Это значит, что ток течет через Si- и SiC-устройства

сверху вниз на подложку, а в горизонтальной структуре GaN он протекает от истока, затвора к стоку, которые

Рис. 2. Характеристические показатели ключей, выполненных по разными полупроводниковым технологиям, с номинальными напряжениями 600/650 В

www.elcomdesign.ru

Рис. 3. Приведенное сопротивление RDS(ON) Si-, SiC- и GaN-ключей при разных значениях температуры перехода TJ

найти оптимальную топологию и таким образом выбрать полупроводники, чтобы и каскад ККМ, и высоковольтный DC/DC-каскад обеспечивали требуемую эффективность системы. В рассматриваемом примере импульсному источнику питания мощностью 3 кВт с пиковым КПД = 98% при 50-% нагрузке требуется каскад ККМ с КПД = 99%. В типовых решениях в таких случаях используются двухтактные топологии – мостовая или полумостовая в режимах непрерывной проводимости (CCM) или граничной проводимости, когда ток имеет треугольную форму (TCM), с двойным повышением или H4/H‑мостовая конфигурация. Однако не каждая полупроводниковая технология идеальна при необходимости обеспечить наибольшую эффективность. Из рисунка 4 видно, что величина эффективности 99,3% GaN-устройств в полномостовой двухтактной конфигурации в режиме CCM достигается в то время, когда эффективность ключа

Si Superjunction MOSFET в двухтактной топологии в режиме TCM немногим больше 99%. Однако новые GaN- и SiC-технологии не работают так же хорошо в других топологиях. Двухтактная полумостовая топология на основе GaN в режиме CCM позволяет сэкономить на двух ключах, но при эффективности около 98,8% она становится непригодной для импульсных источников питания с заданной эффективностью 98%. То же относится к использованию SiC-ключей в двухтактной топологии в режиме CCM, обеспечивающей эффективность около 98,6% (см. рис. 5). Таким образом, несмотря на теоретически высокие показатели GaN- и SiC-технологий, к лючи Superjunction Si MOSFET по-прежнему предпочтительнее использовать в тех случаях, когда топологии усиливают преимущества этих устройств. Следует также заметить, что стоимость применения новых технологий в двухтактной конфигурации ККМ в режиме ТСМ –

Практический пример

Разработчики постоянно функционирующих источников питания для телекоммуникационных приложений ищут способы сократить эксплуатационные затраты. К настоящему времени изделие с КПД = 97% считается стандартным, а КПД = 98% имеется у устройств премиального класса. Разработчики пытаются

Дискретные силовые компоненты

соединены с поверхностью с помощью отдельных металлизированных слоев (см. рис. 1). Электроны в этой, по сути нелегированной, кристаллической структуре с малым количеством примесей обладают высокой подвижностью, что отражено в названии HEMT (транзисторы с высокой подвижностью электронов). В результате использования разных конструкций и разных полупроводниковых материалов рабочие характеристики рассматриваемых устройств заметно различаются. Об этом свидетельствует характеристический показатель (FoM), который учитывает проводимос ть устройств (R DS(ON)) и коммутационные потери (см. рис. 2а–в). По таким параметрам как заряд сток–исток (QOSS), заряд обратного восстановления (QRR) и заряд затвора (Q G) у ключей SiC MOSFET – лучше характеристический показатель по сравнению с устройствами Si Superjunction. Однако кремниевые ключи превосходят конкурентов по энергии, запасенной в выходной емкости (E OSS). В то же время все характеристики GaN MOSFET лучше, чем у аналогов. Однако для полноты картины требуется более тщательный анализ. Современные импульсные источники питания должны обеспечить более высокую мощность при меньшем занимаемом объеме. Уменьшение расстояния между компонентами неизбежно приводит к росту рабочей температуры, что сказывается на величине R DS(ON). Благодаря малому уровню примесей в транзисторах GaN HEMT величина R DS(ON) в меньшей мере зависит от температуры, чем у кремниевых к лючей. Однако наименьшая зависимость R DS(ON) от температуры – у SiC-устройств. Так, например, из рисунка 3 видно, что приведенные при 25°C значения R DS(ON) карбидокремниевых к лючей на 30% меньше, чем у GaN HEMT, и на 50% меньше по сравнению с устройствами, выполненными по технологии Si Superjunction при 100°C. Следовательно, у ключей Si Superjunction с R DS(ON) = 70 мОм харак теристиче ский показатель хуже, чем у 100‑мОм SiC-устройств при рабочей температуре системы, что влияет на суммарную эффективность импульсного источника питания.

Рис. 4. Эффективность двухтактных корректоров коэффициента мощности при использовании GaNи Si-технологий может превысить 90%

электронные компоненты №06 2020

Дискретные силовые компоненты

Рис. 5. В тех случаях, когда топологии усиливают преимущества традиционных кремниевых ключей, их эффективность превосходит показатели GaN и SiC ККМ

самая высокая по сравнению с кремниевой технологией, и управлять ими намного труднее. Итак, можно сделать вывод, что кремниевые ключи по-прежнему обладают ценовым преимуществом на компонентном уровне, и, кроме того, у инженеров накоплен немалый опыт работы с этой технологией. Однако при этом нельзя недооценивать сложность проектирования и управления кремниевыми ККМ-конфигурациями. Эти топологии обеспечивают ту же эффективность, что и широкозонные устройства, но требуют больше усилий от разработчиков. Рассмотрим теперь высоковольтный DC/DC-каскад. И в этом случае необходимо обеспечить самую высокую эффективность 98% при 50-% нагрузке. Это значит, что эффективность рассматриваемого каскада должна как минимум составлять 99,1% при той же нагрузке. Возможно, наиболее простой топологией в данном случае является полумостовой LLC-преобразователь, который хорошо известен разработчикам и годится для использования с Si-, GaN- и SiC-ключами. Однако эта тополо-

гия не обеспечивает пиковую эффективность импульсных источников питания выше 97% (при нагрузке 50%), что также зависит от эффективности ККМ при той же нагрузке. Пико ву ю э ф ф ек т ив н о с т ь в е ли чиной 98% при 50 -% нагрузке д ля импульсного источника питания обеспечивает полумостовой трехфазный LLC-преобразователь, но в таком случае отпадает необходимость в GaNи SiC-ключах, поскольку они не дают других дополнительных преимуществ. Плотность компоновки можно было бы увеличить путем интеграции трех трансформаторов на один сердечник. Однако это непростая задача, поскольку требуется достаточно сложный анализ магнитных компонентов. В тех случаях когда у GaN- и SiCключей имеются другие преимущества, к которым, например, относится корпусирование, можно использовать полно- или полумостовую двухфазную LLC-топологию. Обе позволяют распределять генерируемое тепло по всей схеме. Преимущество полумостовой топологии заключается в использовании

Рис. 6. Влияние резонансной частоты на эффективность топологии LLC при использовании Si-, GaN- или SiC-ключей

www.elcomdesign.ru

меньшего числа компонентов и в более простом управлении, а полномостовая конфигурация позволяет лучше управлять пульсациями и чуть лучше распределять тепло. В тех случаях, когда плотность мощности является критически важным требованием, применяется высоковольтный DC/DC-каскад с более высокой коммутационной частотой, что позволяет сократить размеры магнитных компонентов. При этом ухудшается эффективность, хотя и в разной степени в зависимости от того, какие к лючи используются, – Si, GaN или SiC. В наибольшей мере ухудшается эффективность кремниевых устройств, поскольку резонансная частота LLCпреобразователя становится равной 300 кГц, а затем 500 кГц; в меньшей степени изменяется эффективность карбидокремниевых ключей. Однако у GaN-ключей – впечатляющая эффективность даже при 500 кГц (см. рис. 6). Результирующее повышение плотности мощности зависит от сокращенного объема, занимаемого компонентами. SMD- и другие компоненты, а также вспомогательный источник питания не оказывают существенного влияния на этот показатель. Уменьшить занимаемый объем можно, главным образом, за счет трансформаторов, дросселей, электролитических конденсаторов, силовых полупроводников, радиаторов и способов охлаждения. В результате сокращается около 30% занимаемого места, что позволяет увеличить резонансную частоту со 100 до 300 кГц. Какая технология лучше?

Предпочтительный выбор топологии определяется не только наилучшим характеристическим показателем. Традиционные кремниевые к лючи, используемые в огромном количестве приложений, в отношении которых накоплен немалый опыт разработки, останутся лидерами в большинстве импульсных источников питания с высокими требованиями благодаря самой высокой эффективности. Однако широкозонные GaN- и SiCтехнологии обладают преимуществами при использовании соответствующих топологий и в тех с лучаях , когда, например, необходимо обеспечить высокую плотность мощности (GaN) или работу в жестких условиях либо при высокой температуре (SiC). Подчеркиваем, предпочтительной для проектирования является не самая новая и привлекательная технология, а такой выбор полупроводниковых ключей от надежного производителя, который основан на взвешенном и непредвзятом подходе.

Распознание направления движения на практике с помощью фотоэлектрических датчиков Яцек Богуш, инженер, TME

Д ат ч и к и

В разных приложениях промышленной автоматики чаще всего используются два типа датчиков: фотоэлектрические и индуктивные (приближения). Оба имеют свои плюсы и минусы, которые определяют их применение. Например, индуктивный датчик обнаруживает металлические объекты за непрозрачным неметаллическим препятствием, на что не способен фотоэлектрический датчик, которому необходимо «видеть» объект. С другой стороны, лазерное излучение в таком датчике позволяет увеличить дальность обнаружения до нескольких десятков метров, чем не могут похвастаться индуктивные датчики.

Фотоэлектрический датчик работает по принципу измерения интенсивности пучка света, испускаемого передатчиком и падающего на светочувствительный элемент приемника. В зависимости от назначения датчика используются разные длины световых волн и модуляция. Чаще всего применяется инфракрасный свет, невидимый для человеческого глаза. Однако у этого способа имеются свои недостатки, в чем мог убедиться каждый, кто пользовался, например, датчиком в воротах, чтобы предотвращать их закрытие, когда в них находится транспортное средство. Вот почему при выполнении монтажных работ в качестве дополнительного аксессуара часто применяются лазерные указатели, облегчающие взаимное позиционирование передатчика и приемника. Многие фотоэлектрические датчики оснащены диодами, сигнализирующими о состоянии работы, в т. ч. о правильном взаимодействии передатчика и приемника. Наблюдение за этими диодами и цветом их свечения облегчает правильную установку датчиков, определение состояния выхода или правильности реакции на объект, что особенно важно, когда чувствительность регулируется. Почти все разработчики электроники, инженеры по автоматизации или интеграторы, которые чаще всего используют фотоэлектрический датчик, могут легко оценить требования целевого приложения и выбрать правильный тип сенсора. К числу важных критериев относятся рабочая среда датчика, температура окружающей среды, механическое сопротивление (все перечисленные факторы влияют на выбор материала

корпуса, степени его герметичности (IP) и способа крепления), тип освещения в окружающей среде, назначение датчика, диапазон обнаружения, доступное напряжение питания или тип выхода. В некоторых областях применения большое значение имеет время отклика датчика. Чрезвычайно важным критерием является тип обнаруживаемого объекта. Некоторые датчики реагируют даже в тех случаях, когда на пути луча между передатчиком и приемником находится тонкая прозрачная пленка. Для работы других требуется, чтобы объект был почти полностью непрозрачным. Датчики еще одного типа оснащены потенциометром для регулировки чувствительности, благодаря которому точно устанавливается порог срабатывания. При выборе датчика следует руководствоваться его маркой. В случае промышленных приложений или оборудования, которому требуется надежная работа датчика, чтобы обеспечить безопасность пользователей и удобство эксплуатации, рекомендуется выбирать проверенные изделия известных производителей. Например, если изготовителем датчика является компания Panasonic, можно предположить, что датчики успешно прошли тщательный контроль качества, и они работают надежно и стабильно. Давайте посмотрим, как на практике настроить такой датчик для работы с любым программируемым логическим контроллером (ПЛК). Хотя образец программы был сделан для ПЛК Siemens LOGO!8, его можно без особых усилий адаптировать для другой платформы благодаря читаемости языка FBD.

Рис. 1. Принцип работы детектора, определяющего направление движения: а) состояние покоя – объект приближается к датчикам слева; б) активный датчик «1»; в) активные датчики «1» и «2»; г) активный датчик «2»; д) состояние покоя

www.elcomdesign.ru

Рис. 2. Пример программы, написанной на языке FBD для контроллера LOGO!8

Как уже упоминалось, напряжение от контактов датчика должно подаваться на входы I1 (от датчика «1») и I2 (от датчика «2»). Программа написана таким образом, что направление движения от I1 до I2 генерирует импульс на выходе затвора B020, а от I2 до I1 – на выходе B006. Чтобы продемонстрировать удобство от использования примера приложения, к выходам обоих затворов был подключен двунаправленный счетчик (B023) и логическая схема (B021 – затвор XOR, B022 – RS-триггер). Задача логической схемы состоит в том, чтобы установить вход направления подсчета, если поступают «положительные» импульсы (от затвора B020), и сбросить в случае отрицательных импульсов (от затвора B006), а также сформировать синхроимпульс для передачи

Д ат ч и к и

Очень сложно распознать направление движения объекта с помощью одного фотоэлектрического датчика. С этой целью потребовалось бы модулировать луч света и использовать эффект Доплера или измерять время между сериями импульсов, посылаемыми в сторону объекта. Однако эти методы сложно реализовать на практике: они достаточно дороги и сложны. Гораздо проще установить два датчика рядом и проверить порядок их срабатывания. На рисунке 1 показано, как работает это решение. Если мы используем два датчика («1» и «2»), срабатывание «1», а затем «2» может означать условное направление движения вправо, а в обратном порядке – влево. Однако чтобы алгоритм работал надежно и его можно было использовать не только для определения направления движения, но и, например, для подсчета объектов, вводятся некоторые ограничения. Прежде всего, объект должен двигаться перед датчиками, заставляя их срабатывать. Во‑вторых, максимальное расстояние между датчиками не может превышать наименьшего размера объекта. Датчики будут работать в следующем порядке:

оба неактивны  «1» включен  «1» и «2» включены   «2» включен  оба неактивны. В‑третьих, случайные перемещения проверяемого объекта между датчиками не должны вызывать ошибочного срабатывания установки. Конечно, это программа, и невозможно исключить все логические ошибки, но, несмотря на это, необходимо тщательно проверить ее с помощью симулятора или протестировать алгоритм в разных ситуациях, которые могут произойти на практике. На рисунке 2 показан пример программы на языке FBD, написанный в бесплатной среде LOGO! Soft Comfort. При использовании контроллера LOGO! к его входам I1 и I2 подается напряжение, представляющее логическую «1». В случае ПЛК LOGO! 24RC подается напряжение 18–24 В DC. При использовании версии с питанием 230 В AC логическая «1» представляет собой гораздо более высокое напряжение, но тогда следует учесть тип и параметры выхода датчика!

Рис. 3. Окно свойств блока счетчика Up/Down Counter

электронные компоненты №06 2020

на счетный вход. Счетчик считает вверх (вход установлен) или вниз (вход сброшен) путем установки и сброса входа направления счета. Блок счетчика Up/Down Counter в LOGO! имеет выход, устанавливаемый и сбрасываемый в соответствии с условиями, которые заданы в окне свойств счетчика. Если ввести «1» в поле On, а «0» оставить в поле Off (см. рис. 3), выход будет устанавливаемым, когда показание счетчика больше 0, и сбрасываемым, если оно равно 0. Если теперь подключить к этому выходу функциональный блок Output, например Q1, то выходное реле 1 контроллера LOGO! 24RC закроет контакты, когда показание счетчика превысит 0. Таким образом, можно быстро и легко сконструировать устройство, которое автоматически включает и выключает свет, считая людей, которые входят в помещение и выходят из него. Свет должен включаться, если кто-то входит, и выключаться, если выйдут все.

Новости технологий

| Холдинг «Росэлектроника» разработал инфракрасный калибратор для точной настройки тепловизоров |

Д ат ч и к и

Новое устройство «Сыч‑15» значительно дешевле зарубежных аналогов, а также калибраторов на основе «абсолютно черного тела». Погрешность измерений не превышает 0,1°C. Для точной работы санэпидемиологического тепловизора, измеряющего температуру тела человека в режиме потока, необходимо регулярно осуществлять его корректировку по эталонным данным. Для этих целей применяются инфракрасные калибраторы или калибраторы на основе «абсолютно черного тела» (АЧТ) – объекта, который поглощает все направленное на него излучение и ничего не отражает. Устройства на основе АЧТ имеют избыточный потенциал для поточных тепловизоров. Прибор «Сыч‑15» устанавливается в поле зрения тепловизионной камеры. Заданная температура его излучающей поверхности является эталонной. С помощью специализированного программного обеспечения тепловизор автоматически фиксирует все изображения в поле зрения, температура которых превышает установленный порог. Например, прибор фиксирует повышенную температуру тела, начиная с 37°. При этом погрешность измерений не превышает 0,1°. Инфракрасный калибровочный излучатель «Сыч‑15» разработан в ЦНИИ «Циклон» (входит в «Росэлектронику»). В приборе используется отечественная компонентная база, изготавливаемая также на предприятии «Росэлектроники» – НПП «Исток» им. Шокина. Для поточного контроля температуры тела с помощью тепловизоров требуется повышенная точность. Чтобы ее обеспечить, используются дорогостоящие импортные калибровочные средства. Новая разработка ЦНИИ «Циклон» обладает всеми необходимыми техническими характеристиками и при этом дешевле зарубежных аналогов. Прибор может использоваться с любыми моделями тепловизоров отечественного и импортного производства. Опытный образец устройства уже создан, проведены необходимые испытания, получена Декларация о соответствии требованиям технических регламентов ЕврАзЭС.

www.elcomdesign.ru

www.russianelectronics.ru

Беспроводные микроконтроллеры Георгий Воронцов, инженер В статье рассматриваются беспроводные микроконтроллеры компаний NXP, Renesas и SiLabs. Учитывая специализацию микроконтроллеров, основное внимание уделено режимам энергопотребления и радиомодулям и кратко упоминаются специализированные периферийные модули этих микроконтроллеров.

Введение

Словарь АНВ – многоуровневая матричная шина АРВ – периферийная шина AGC – автоматическая регулировка усиления BUFC – буферный контроллер радиомодуля CTSU – модуль сенсорной клавиатуры DMIC – модуль работы с одно- и двухканальными цифровыми микрофонами FGH – контроллер кадра MPU – модуль защиты памяти NFC – коммуникация ближнего поля NTAG – NFC-модуль HWVAD – детектор голосовой активности PDM – импульсно-плотностная модуляция РМС – контроллер управления питанием RAC – радиоконтроллер RFP – радиоконтроллер RSSI – индикатор уровня принимаемого сигнала SLCDC – контроллер сегментного ЖКД

Микроконтроллеры и микропроцессоры

Нельзя не отдать должное журналу «Электронные компоненты» – в нем с завидной регулярностью и довольно оперативно публикуются статьи, посвященные беспроводным микроконтроллерам [1–6]. По указанной в библиографии подборке статей за последние четыре года можно составить достаточно полное представление о беспроводных микроконтроллерах (МК), выпущенных за эти годы. В настоящей статье мы продолжим эту традицию и расскажем о беспроводных МК, появившихся в этом, 2020 г. Как и во всех предыдущих случаях, новые МК не поражают воображение вычислительной мощностью, обилием коммуникационных интерфейсов или какой-либо другой специализированной периферией. Их основной функциональной частью является радиомодуль. Как правило, беспроводные МК предназначены для приложений с батарейным питанием, и их разработчики решают задачу как можно в большей мере снизить энергопотребление МК.

Рис. 1. Структурная схема МК QN9030 и QN9090 компании NXP

электронные компоненты №06 2020

Исходя из этого требования, мы, прежде всего, рассмотрим особенности радиомодулей и модулей управления питанием, и лишь кратко остановимся на специализированной периферии, если таковая имеется. Остальные узлы беспроводных МК хорошо известны пользователям, и мы не станем утомлять читателей ненужными подробностями. Микроконтроллеры QN9030 и QN9090 компании NXP

Микроконтроллеры и микропроцессоры

Беспроводные МК QN9030 и QN9090 компании NXP базируются на хорошо известном процессорном ядре ARM Cortex-M4 с модулем защиты памяти (MPU). МК поддерживают стандарт Bluetooth Low Energy 5.0. Их структурная схема приведена на рисунке 1. Отличия модификаций МК показаны в таблице. Напряжение питания МК: 1,9–3,6 В; диапазон рабочей температуры: –40…125°C. В МК предусмотрены пять режимов энергопотребления: -- активный режим; -- режим сна (Sleep mode); -- режим глубокого сна (Deep-sleep mode); -- режим пониженного энергопотребления (Power-down mode); -- глубокий режим пониженного энергопотребления (Deep power-down mode). В активный режим МК переходит сразу после сброса, вызванного включением питания. В этом режиме все модули МК активны. В режиме сна процессорное ядро не активно – оно пробуждается по прерыванию или событию, а все

Рис. 2. Структурная схема радиомодуля МК QN9030 и QN9090

www.elcomdesign.ru

Таблица. Модификации МК QN9030 и QN9090 QN9030HN

QN9030THN

QN9030HN

QN9030THN

Объем флэш-памяти, Кбайт

Параметр

320

640

Объем SRAM, Кбайт

152

NTAG

–

Корпус

HVQFN40 (6×6×0,85 мм)

остальные модули активны. В режиме глубокого сна помимо процессорного ядра в неактивный режим переводятся некоторые модули МК. Максимальная частота тактирования снижается с 28 до 12 МГц; также запрещены все операции DMA. Время пробуждения из этого режима занимает больше циклов, чем при пробуждении из режима сна. В режиме глубокого сна запрещен доступ к памяти SRAM. Она может находиться в одном из трех режимов: в нормальном состоянии, в состоянии пониженного энергопотребления с сохранением данных и в режиме «выключено». Могут быть отключены следующие модули: флэш-память, АЦП, аналоговый компаратор, датчики температуры и провала напряжения, некоторые осцилляторы. Отдельные периферийные модули могут оставаться активными при условии сохранения тактирования и неиспользовании каналов DMA. После пробуждения процессор начинает выполнять код с того места, где произошел переход в режим глубокого сна. В режиме пониженного энергопотребления выключается основной цифровой домен, память SRAM выключена или

переведена в режим сохранения данных. Активными могут оставаться лишь каналы интерфейсов I2C0, USART0 и SPI0, но частота их тактирования уменьшается до 32 кГц. После пробуждения процессор стартует с загрузочного кода, чтобы определить порядок инициализации МК. В режиме глубокого пониженного энергопотребления выключены практически все модули и энергопотребление минимально. При пробуждении происходит полная перезагрузка МК. Беспроводной приемопередатчик реализует протокол BTLE 5.0. Приведем некоторые основные параметры модуля: -- чувствительность приемного устройства при скорости передачи данных 1 Мбит/с: –97 дБм; -- чувствительность приемного устройства при скорости передачи данных 2 Мбит/с: –93 дБм; -- ток потребления в режиме приема: 4,3 мА; -- мощность передатчика (макс.): 11 дБм при диапазоне 46 дБ; -- ток потребления при выходной мощности сигнала 10 дБм: 20,3 мА;

-- ток потребления при выходной мощности сигнала 3 дБм: 9,4 мА; -- ток потребления при выходной мощности сигнала 0 дБм: 7,4 мА; -- шифрование: AES‑128 или AES‑256. Структурная схема радиомодуля представлена на рисунке 2. Его приемник основан на архитектуре с промежуточной частотой и состоит из малошумящего усилителя (МШУ), смесителя с понижающим преобразованием I/Q, последующим усилением и фильтрацией фильтрами низких частот (ФНЧ) с дальнейшим преобразованием с помощью 10‑бит АЦП производительностью 16 Мвыб/с. Используется автоматическая регулировка усиления. Демодуляция сигнала происходит в цифровом домене. Индикатор уровня принимаемого сигнала RSSI «привязан» к принимаемому кадру и может контролироваться в течение всего времени приема. Передатчик радиомодуля использует двухточечную модуляцию. Применяется частотная и фазовая модуляция передаваемого сигнала. Несмотря на довольно низкое энергопотребление

Микроконтроллеры и микропроцессоры

Рис. 3. Структурная схема МК RA4W1 компании Renesas

электронные компоненты №06 2020

Микроконтроллеры и микропроцессоры

во время приема и передачи сигнала, приложениям с батарейным питанием, где на счету каждый микроватт, требуется как можно больше сократить мощность потребления. С этой целью в МК QN9030 и QN9090 в период ожидания сигнала используется выключение питания части узлов приемопередатчика, и предусмотрены таймеры с низким энергопотреблением для канального уровня. Они отвечают требованиям точности синхронизации стандарта Bluetooth Low Energy. Предусмотрены также таймеры для пробуждения модуля, но поскольку они не отвечают требованиям стандарта точности синхронизации, их используют лишь в случае, когда соединение Bluetooth неактивно. В этом состоянии можно сохранять все данные калибровки в соответствующих регистрах; при этом немного увеличивается ток потребления, но зато сокращается время перехода в активный режим, и нет необходимости повторять процедуру калибровки. Радиоконтроллер RFP управляет радиомодулем с помощью встроенного конечного автомата, формирующего последовательность приема и передачи данных. При передаче данных контроллер RFP обеспечивает включение ФАПЧ и выбор несущей частоты, активирует передающий тракт, управляет усилителем мощности. После окончания передачи данных контроллер RFP отключает усилитель мощности и выключает узлы тракта передачи. При приеме данных контроллер активирует приемный тракт, включает питание необходимых узлов, инициирует узел AGC для регулировки усиления при обнаружении пакета и управляет цифровой демодуляцией сигнала. После окончания приема контроллер отключает приемный тракт. Вкратце остановимся на некоторых модулях, которые помогут инженерам составить более полное представление о данных МК. На наш взгляд, достоин упоминания 10‑канальный ШИМ: все каналы независимы и содержат 16‑бит регистр сравнения. Причем, возможен режим, когда один ведущий канал управляет остальными. Не у каждого МК можно найти модулятор инфракрасного сигнала, тогда как такой модулятор IRB имеется в МК QN9030 и QN9090. Он соответствует протоколам RC5, RC6, RCMM и SIRCS, но не поддерживает протокол IRDA. Модуль NTAG предназначен для реализации интерфейса NFC. Передача сигнала осуществляется на несущей частоте 13,56 МГц. Скорость передачи данных составляет 100 Кбит/с, максимальное расстояние до метки составляет 100 мм. Модуль содержит 64‑байт энергонезависимую память со сроком хранения данных 20 лет; износостойкость памяти составляет 200 тыс. циклов. Модуль DMIC поддерживает одно- и двухканальные цифровые микрофоны с импульсно-плотностной моду-

Рис. 4. Структурная схема модуля Bluetooth Low Energy 5.0 МК RA4W1

www.elcomdesign.ru

ляцией PDM. Чтобы снизить энергопотребление модуля, в нем используется детектор голосовой активности HWVAD с настраиваемым уровнем обнаружения речи. Модуль DMIC оптимизирован под частоту выборки звукового сигнала 16 кГц. Для каждого канала предусмотрен буфер FIFO на 16 записей. Микроконтроллеры RA4W1 компании Renesas

МК компании Renesas, как и рассмотренные выше МК QN9030 и QN9090 компании NXP, базируются на процессорном ядре ARM Cortex-M4 с модулем защиты памяти. Эти МК тактируются одинаковой частотой 48 МГц. На этом сходство не заканчивается: как и МК QN9030 и QN9090, микроконтроллеры RA4W1 поддерживают протокол Bluetooth Low Energy 5.0. За счет большего числа линий ввода/вывода МК RA4W1 производятся в 56‑выводном корпусе QFN размером 7×7 мм, в отличие от своих собратьев QN9030 и QN9090, довольствующихся 40‑выводным корпусом. Структурная схема МК RA4W1 приведена на рисунке 3. Напряжение питания МК находится в диапазоне 1,8–3,6 В, а диапазон рабочей температуры составляет –40…85°C. Компания Renesas, как и NXP, не привнесла в свои беспроводные МК каких-либо новшеств, а использовала готовые, проверенные на прежних модификациях периферийные модули. В целом это разумный подход: компании выпустили экономичные МК, призванные стать скромными «рабочими лошадками» в мире беспроводных коммуникаций. Однако помимо сходства между МК этих компаний у них немало и различий. Так, например, у МК RA4W1 Renesas – иной подход к реализации режимов пониженного энергопотребления. Всего насчитываются четыре режима энергопотребления: -- активный режим; -- режим сна (Sleep mode); -- программный режим останова (Software Standby mode); -- режим полусна (Snooze mode). В режиме сна процессорное ядро не активно, содержимое регистров процессора сохраняется. Все остальные модули работают в обычном режиме, доступны все источники прерываний. Выход из режима сна осуществляется по любому прерыванию. В режиме полусна активна часть периферийных модулей, процессор остановлен. В режиме программного останова процессор и большинство периферийных модулей и часть осцилляторов остановлены, но содержание регистров и памяти сохраняется. Выход из этого режима производится по прерываниям. Кроме того, в МК предусмотрена возможность независимого выключения любого периферийного модуля (module-stop function).

составляет всего лишь ±1,25 МЗР. В состав аналоговой периферии входят также 12‑ и 8‑бит ЦАП, аналоговый компаратор и операционный усилитель. Периферийный 11‑канальный модуль сенсорной клавиатуры (CTSU) и контроллер сегментного ЖКД (SLCDC) позволяют реализовать простой человеко-машинный интерфейс. Контроллер SLCDC имеет девять выводов для управления сегментами и четыре общих вывода. МК EFR32BG22, EFR32FG22 семейства Wireless Gecko компании SiLabs

В отличие от компаний Renesas и NXP, в SiLabs предпочли задействовать более новое процессорное ядро ARM Cortex-M33 на архитектуре Armv8‑M с использованием проприетарной технологии безопасности ARM TrustZone. У ядра Cortex-M33 – большие функциональные возможности, чем у Cortex-M4; выше и его производительность. Относительно подробно различие этих ядер показано в [4]. Кроме того, в МК EFR32BG22 это ядро тактируется более высокой частотой 76,8 МГц, чем МК от Renesas и NXP, рассмотренные выше. У МК EFR32FG22 частота тактирования ниже – 38,4 МГц. Основное различие МК EFR32BG22 и EFR32FG22 заключатся в том, что последний поддерживает только проприетарный 2,4‑ГГц беспроводной протокол, а первый еще и протоколы Zigbee и Bluetooth Low Energy 5.2. МК производятся в корпусах QFN32 (4×4×0,85 мм) или QFN40 (5×5×0,85 мм). Структурная схема МК приведена на рисунке 5. Напряжение питания МК: 1,71–3,6 В; диапазон рабочей температуры: –40…125°C. Предусмотрены шесть режимов энергопотребления: 1. EM0. Активный режим, все модули МК доступны. 2. EM1. Процессорное ядро Cortex-M33 неактивно, все остальные модули доступны. 3. EM1 Р. Частный случай режима EM1, процессорное ядро и высокоскоростные периферийные модули выключены, радиомодуль активен. 4. EM2. Процессорное ядро неактивно, большинство высокоскоростных периферийных модулей выключены или их функциональные возможности ограничены, высокоскоростные осцилляторы выключены, радиомодуль неактивен. Содержимое памяти и регистров сохраняется.

Микроконтроллеры и микропроцессоры

Однако в каждом из этих режимов, кроме режима программного останова, можно выбрать пять опций: -- высокоскоростной режим работы; -- режим средней скорости выполнения кода; -- низкоскоростной режим; -- режим пониженного напряжения; -- субосцилляторный режим. Перечисленные опции реализуются посредством изменения системной частоты тактирования, а также частоты тактирования периферийных модулей и флэш-памяти. В высокоскоростном режиме системная частота составляет 48 МГц, флэш-память тактируется частотой 32 МГц, напряжения питание находится в пределах 2,4–3,6 В. В режиме средней скорости напряжение питания меняется в диапазоне 1,8–3,6 В, флэш-память и периферия тактируются частотой 12 МГц, но при напряжении питания 1,8–2,4 В эти частоты уменьшаются до 8 МГц. В режим пониженного напряжения МК переходит после сброса. В этом режиме напряжение питания находится в пределах 1,8–3,6 В, флэш-память и периферия тактируются частотой 1–4 МГц. И, наконец, в субосцилляторном режиме тактирование осуществляется частотой 37,6832 кГц, а напряжение питания составляет 1,8–3,6 В. Структурная схема модуля Bluetooth Low Energy 5.0 показана на рисунке 4. Ниже приведены некоторые основные параметры модуля: -- чувствительность приемного устройства при скорости передачи данных 125 Кбит/с: –105 дБм; -- чувствительность приемного устройства при скорости передачи данных 500 Кбит/с: –100 дБм; -- чувствительность приемного устройства при скорости передачи данных 1 Мбит/с: –95 дБм; -- чувствительность приемного устройства при скорости передачи данных 2 Мбит/с: –92 дБм; -- мощность передатчика (макс.): 0–4 дБм; -- шифрование: AES‑128. Для того чтобы подробнее описать МК, отметим несколько периферийных модулей. Выделим относительно широкий набор аналоговой периферии. Нечасто в МК встретишь 14‑бит АЦП – обычно производители ограничиваются 12‑ или 10‑бит АЦП. К тому же, типовая абсолютная погрешность этого АЦП

Рис. 5. Структурная схема МК EFR32BG22 и EFR32FG22 компании SiLabs

электронные компоненты №06 2020

Микроконтроллеры и микропроцессоры

Рис. 6. Структурная схема радиомодуля МК EFR32BG22 и EFR32FG22

5. EM3. Выключены низко- и высокоскоростные осцилляторы, большинство периферийных модуле так же выключены. Содержимое памяти и регистров сохраняется. 6. EM4. В этом режиме – самое низкое энергопотребление. Содержимое памяти и регистров не сохраняется. Для пробуждения МК требуются сброс и перезагрузка. В режимах EM0– EM3 для уменьшения энергопотребления возможно изменение (масштабирование) напряжения питания цифрового домена МК. Изменение напряжения происходит за счет управления встроенным LDO-регулятором. Предусмотрены следующие три напряжения питания. 1. VSCALE0. Напряжение питания 1,1 В, используется в режимах энергопотребления EM0–EM3. 2. VSCALE1. Напряжение питания 1,0 В, используется в режимах энергопотребления EM0 и EM1 при частоте тактирования не более 40 МГц и в режимах EM2 и EM3. 3. VSCALE2. Напряжение питания 0,9 В, используется в режимах энергопотребления EM2 и EM3. В отличие от рассмотренных выше МК, радиомодуль МК EFR32BG22 является многопротокольным. Помимо проприе тарного протокола компании, он поддерживает также стандартные протоколы Zigbee и Bluetooth Low Energy 5.2. В радиомодуль интегрирован процессор ARM Cortex-M 0+. Перечислим некоторые его основные параметры: -- виды модуляция: 2‑FSK, 2‑GFSK, 4‑FSK, MSK, GMSK, O‑QPSK с полусинусоидой, ASK/OOK, DBPSK TX; -- поддерживается манчестерский код и NRZ; -- скорость передачи данных: 100 бод/с…2 Мбод/с (до 4 Мбит/с); -- ток потребления в режиме приема: 2,5 мА; -- чувствительность при 250 Кбит/с и модуляции O‑QPSK DSSS: –102,3 дБм; -- чувствительность при 125 Кбит/с и модуляции GFSK: –106,7 дБм; -- чувствительность при 1 Мбит/с и модуляции GFSK: –98,9 дБм; -- чувствительность при 2 Мбит/с и модуляции GFSK: –96,2 дБм;

www.elcomdesign.ru

-- выходная мощность передатчика (макс.): 6 дБм; -- ток потребления в режиме передачи при выходной мощности 0 дБм: 3,4 мА; -- ток потребления в режиме передачи при выходной мощности 6 дБм: 7,5 мА. Структурная схема радиомодуля приведена на рисунке 6. Он под держивает буферизованную и небуферизованную передачу и прием данных. В первом случае используется буферный контроллер BUFC. Для хранения данных он использует системное ОЗУ; при этом каждый буфер программируетс я отдельно: ус танав ливаютс я размеры буфера, условия формирования прерываний и переполнения, а также его расположение. При приеме данных после синхронизации кадров они из демодулятора перемещаются непосредственно в буфер. При передаче данных они перемещаются из буфера в демодулятор вслед за вставленной преамбулой и синхронизующим словом. В большинстве случаев рекомендуется использовать буферизованную передачу данных, но если по каким-либо причинам это нежелательно, возможна прямая небуферизованная передача. В этом случае используется двухвыводная схема, в которой битовый сигнал синхронизации передается через отдельный вывод. Контроллер FRC радиомодуля реализует расширенную обработку кадров: -- формирование преамбулы и кадровой синхронизации для предаваемого кадра; -- полную синхронизацию принимаемого кадра; -- сопоставление адресов принятых кадров, дополнительную фильтрацию адресов и кадров; -- поддержку кадров переменной длины; -- расчет и проверку кода исправления ошибок (CRC); -- настройку порядка передачи битов. Из специализированных периферийных устройств можно выделить только модуль импульсно-плотностной модуляции (PDM). Главным отличием МК EFR32BG22 и EFR32FG22 помимо радиомодуля является повышенный уровень безопасности за счет фирменной технологии ARM TrustZone.

Выводы

Мы рассмотрели беспроводные МК компаний NXP, Renesas и SiLabs. Все компании использовали, на взгляд автора, единый подход в разработке. Суть его заключается в создании экономичного МК. При этом основное внимание уделено режимам пониженного энергопотребления и радиомодулям. Все остальные решения, реализованные в новых МК, использовались и в предыдущих семействах МК этих компаний. Таким образом, рассмотренные МК не могут удивить специализированной периферией или вычислительной мощностью, но в то же время не вызывают нареканий по надежности и устойчивости работы. Разработчики также не должны испытывать трудностей при использовании новых МК, если они уже применяли предыдущие модели микроконтроллеров этих компаний.

Литература 1. В. Сенников. Микроконтроллеры беспроводной связи CC26x0 и CC13x0 семейства SimpleLink//Электронные компоненты. № 4. 2017. 2 .  В.  Се н н и ко в . Б е с п р о в о д н ы е С н К се м е й с т в D R A7x x P от Texas Instruments//Электронные компоненты. № 7. 2018. 3. А. Чистохвалов. Беспроводной микроконтроллер AXM0F243 от ON Semiconductor//Электронные компоненты. № 4. 2019. 4. А. Чистохвалов. Беспроводные микроконтроллеры с процессорным ядром Cortex-M33//Электронные компоненты. № 6. 2019. 5. Г. Воронцов. Беспроводные микроконтроллеры семейства STM32WB55xx от STMicroelectronics//Электронные компоненты. № 4. 2019. 6. Г. Воронцов. Беспроводные микроконтроллеры//Электронные компоненты. № 2. 2020.

Комментарий специалиста Андрей Лебедев, руководитель направления полупроводников, ООО «Сканти», laa@scanti.ru

Микроконтроллеры и микропроцессоры

При сравнении контроллеров с Bluetooth следует учитывать не только с хожие базовые параметры (в т. ч. поступающие от разработчика ядер МК), но и характеристики, отличающие одно семейство от другого. Эти мелкие, на первый взгляд, детали могут определять области применения контроллеров. Например, RA4W1 – наиболее интегрированный вариант для устройств Bluetooth «среднего класса», использующихся в человеко-машинных интерфейсах для контроля и изменения режимов работы устройства. Остальные описанные в статье контроллеры предназначены для более бюджетных устройств, не требующих ручного управления. Перечислим отличия BLE-микроконтроллеров Renesas от аналогов NXP и SiLabs: 1) поддержка всех функций стандарта Bluetooth 5.0, включая LE 1M, 2M, Coded PHY (long range), LE Advertising Extension, программная поддержка ячеистых сетей; 2) наиболее полный набор интерфейсов ввода/вывода и аналоговой периферии, к которым относятся контроллеры сенсорного ввода (11 каналов) и сегментного ЖКИ-дисплея, (9×4), CAN, USB, UART, SPI/I2C, АЦП 14‑бит, ЦАП 12‑бит, ОУ, компаратор и датчик температуры; 3) чувствительность BLE-приемника: до –105 дБ (при скорости 125 Кбит/с и мощности сигнала 4 дБм); 4) потребление радиоблока в режиме приема и передачи, соответственно: до 3,2 мА; до 4,5 мА; 5) не требуется внешняя согласующая ВЧ-схема.

электронные компоненты №06 2020

Моделирование Джоулева нагрева и деформации печатной платы в программной среде COMSOL Multiphysics 5.4 Татьяна Колесникова, beluikluk@gmail.com

В статье рассматривается моделирование Джоулева нагрева и деформаций, вызванных тепловым расширением, при помощи средств программы COMSOL Multiphysics на примере трехмерной модели печатной платы, разработанной в редакторе PADS Layout системы Mentor Graphics. Описан экспорт модели из топологического редактора и ее импорт в COMSOL Multiphysics. Проведено исследование распределения электрического потенциала и температуры на поверхности платы, анализ нагрева печатных проводников и направления протекания тока.

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

Введение

Увеличение компьютерных вычислительных ресурсов и создание современного программного обеспечения обуславливают новый уровень проведения научных исследований электронных устройств на этапе проектирования печатных плат, в т. ч. с учетом разных взаимосвязанных физических процессов, протекающих в них. Численное моделирование, основанное на применении специальных программ, позволяет повысить эффективность разработки электронных устройств путем качественного расчета электрических параметров и характеристик, детальной оценки нагрева печатных проводников при протекании по ним электрического тока, а также оценки связанных эффектов изменения электрических свойств материалов, теплового расширения и деформаций. Получение многосторонней информации об исследуемом объекте с точки зрения комплексного анализа наиболее характерных для этого объекта явлений и процессов разной физической природы с учетом взаимосвязей между ними представляет собой мультифизическое моделирование – активно развивающийся в настоящее время метод компьютерного моделирования. Оно основано на рассмотрении нескольких взаимосвязанных физических процессов в одной модели (в одном программном приложении), например электромагнитных, термодинамических, механических, магнитогидродинамических, которые, в свою очередь, зависят от процессов во внешних электрических цепях. Единая математическая модель строится на основе фундаментальных законов разных научных дисциплин, предполагает установление и реализацию междисциплинарных связей для всестороннего исследования физического объекта и получения системного знания о его работе. Мультифизическое моделирование печатных плат успешно проводится с помощью современных программных пакетов, к которым относится COMSOL Multiphysics 5.4 [1] – универсальная среда численного моделирования систем, устройств и процессов во всех областях проектирования, производства и научных исследований. Если COMSOL-модель включает в себя несколько связанных между собой прикладных режимов (физических интерфейсов), то она называется мультифи-

www.elcomdesign.ru

зической. Режимы состоят из предопределенных шаблонов и интерфейсов пользователя, где уже определены уравнения и переменные для специфических областей физики. Объединяя любое число этих режимов в единое прикладное описание, можно моделировать мультифизическую задачу. Систему связанных дифференциальных уравнений из этих прикладных режимов среда COMSOL Multiphysics строит самостоятельно, используя собственные средства. В качестве примера можно привести изменение удельного электрического сопротивления при изменении температуры. В свою очередь, температура изменяется вследствие выделения тепла проводником, по которому протекает электрический ток. В этом случае совместное решение тепловой и электромагнитной задачи является мультифизическим. Создание проекта

Рассмотрим мультифизическое моделирование в среде COMSOL Multiphysics на примере исследования радиокомпонентов и токопроводящих дорожек на печатной плате. В процессе моделирования мы выполним расчет нагрева печатной платы, причиной которого является температура окружающей среды, внешние источники тепла (например, близко размещенные нагретые детали), протекающие токи. При прямом прохождении тока через проводник наблюдается Джоулев нагрев, который необходимо учитывать в конструкции, т. к. температурные колебания могут изменять проводимость материала, а тепловое напряжение часто приводит к деформации. Явление Джоулева нагрева описывается законами сохранения электрического заряда и энергии. После решения уравнений в соответствии с двумя этими законами мы получим значения температуры и электрического поля, соответственно, а также определим деформацию из-за теплового расширения. Появление на печатной плате «горячих точек», т. е. областей локального перегрева, приводит к заметному изменению электрических параметров одного или группы элементов, что, в свою очередь, ухудшает работоспособность всей схемы. При повышенных температурах ухудшаются не только электрические параметры, но и ускоряется протекание нежелательных физико-химических процессов в материалах и конструкциях

Рис. 1. Экспорт трехмерной модели печатной платы в редакторе PADS Professional Layout 2.4 системы Mentor Graphics

компонентов, что значительно повышает вероятность сбоя в работе электронного устройства и может привести в конечном итоге к выходу схемы из строя. Экспорт трехмерной модели платы из топологического редактора В нашем примере исследуются физические процессы (распределения электрического тока и сопутствующего

нагрева, а также деформации, вызванные тепловым расширением) в модели печатной платы, созданной в редакторе PADS Professional Layout 2.4 системы Mentor Graphics. Настройка параметров и экспорт трехмерной модели (см. рис. 1) выполняется командой 3D/Export из основного меню редактора печатных плат. В окне Export определяются: -- выходные опции файла модели (поле Output Options): его тип (выпадающее меню Type), файл с расширением *.sat,

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

Рис. 2. Импорт трехмерной модели печатной платы в COMSOL Multiphysics

электронные компоненты №06 2020

директория размещения на диске компьютера (поле Save in), имя файла (поле Name); -- способы экспорта (поле Mechanical Model Options): сохранить в файл все имеющиеся в проекте PADS Layout детали электронного устройства, например его корпус, крепежные болты, печатную плату и др. (переключатель All mechanical models), экспорт печатной платы и ее элементов (переключатель 'Include with board export' items only); -- металлизированные элементы печатной платы, которые необходимо включить в файл экспорта (поле Metal Element Options), например контактные площадки (Component Pads) и переходные отверстия (Via Holes), внутренние слои металлизации (Metal Internal), верхний и нижний проводящие слои (Metal Top&Bottom), все цепи (All Nets) или заданные выборочно (Selected Nets); -- слои (поле Fabrication Element Options) шелкографии (Silkscreen) и паяльной маски (Soldermask). Когда все параметры заданы, нажимают кнопку Save, чтобы записать файл платы с указанным расширением на диск компьютера.

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

Импорт трехмерной модели платы в COMSOL Multiphysics Используя мас тер [1], соз д а дим в ср е де COMSOL Multiphysics новый проект для стационарного исследования в трехмерном пространстве и выполним импорт подготовленной модели печатной платы. С этой целью воспользуемся командой Import из контекстного меню элемента Geometry дерева модели Model Builder. При этом в окне настроек элемента Geometry укажем единицы измерения (поле Length unit); в нашем примере – mm; тип импортируе-

мой геометрии (поле Geometry representation) – CAD kernel, а в окне настроек элемента Import – путь к файлу модели на диске компьютера (поле Filename). Импорт выполняется с помощью кнопки Import, в результате чего полученная геометрия модели отобразится в графическом окне проекта (см. рис. 2). Объекты геометрии, которые были импортированы ошибочно и не представляют интерес для исследования, выделяются с помощью инструментов Select Domains (Выбор элементов модели), Select Boundaries (Выбор граней элементов модели), Select Box (ограничительная рамка, которая определяет все выделенные ею элементы или грани) верхней панели графического окна и удаляются щелчком мыши по пиктограмме Delete в ленте инструментов во вкладке Geometry. После импорта необходимо подготовить геометрию печатной платы для корректного построения расчетной сетки и расчета. Импортированная в среду COMSOL Multiphysics САПР-модель может содержать много мелких элементов (ребер, областей, граней, отрезков) что приводит к ошибкам при создании расчетной сетки. В таком случае модель упрощают с помощью команды Cleanup/Remove Details в ленте инструментов во вкладке Geometry. После этой команды в список Geometry дерева модели добавится новый одноименный элемент, в окне настроек которого в поле Details to Remove указываются детали для удаления (см. рис. 3а): Vertices with continuous tangent (вершины с непрерывной касательной), Small faces (Мелкие грани), Short edges (Короткие ребра), Thin domains (Тонкие области). После настройки параметров щелкают мышью пиктограмму Build All в верхней части окна настроек для выполнения команды Remove Details (см. рис. 3б). Инструмент определяет короткие ребра, другие мелкие

а)

б)

Рис. 3. Настройка параметров инструмента Remove Details и результат его применения: а) определение тонких областей в модели печатной платы; б) их удаление

а)

б)

Рис. 4. Применение команды Remove Details для: а) автоматического определения разделенных фрагментов отверстия в медном слое; б) их объединения

www.elcomdesign.ru

а)

б)

Рис. 5. Применение команды Remove Details для: а) определения внутренних элементов круглых контактных площадок; б) их удаления

Рис. 6. Таблица свойств материала Silica glass и его назначение определенным поверхностям компонентов модели печатной платы

Определение материалов элементов модели Всем элементам модели назначаются материалы. Их выбирают из базы данных среды COMSOL в окне Add Material [1] и добавляют в проект, а затем определяют их свойства и соответствующие им элементы модели. В нашем примере были выбраны материалы: Copper (Медь), FR4 (Стеклотекстолит типа FR4), Silica glass (Силикатное стекло), Acrylic plastic (Акриловый пластик) из раздела Built-In базы данных. На рисунке 6 показана развернутая таблица свойств материала Silica glass и его назначение определенным поверхностям компонентов модели. Развернуть/свернуть таблицу свойств можно с помощью пиктограммы двойной стрелки в верхнем левом углу таблицы. Выбор физических интерфейсов, расчет проекта и исследование полученных результатов

Для исследования физических процессов в модели печатной платы электронного устройства нам понадобятся следующие интерфейсы: Electric Currents (Электрические токи), Heat Transfer in Solids (Теплопередача в твердых телах), Solid Mechanics (Механика твердого тела), а также мультифизические связи: Electromagnetic Heating (Электромагнитный нагрев) и Thermal Expansion (Тепловое расширение).

Распределение электрического потенциала и направление тока Для электрического расчета печатной платы предусмотрен интерфейс Electric Currents. Чтобы добавить интерфейс в проект, выделяется строка Component в дереве модели, щелчком правой кнопки мыши вызывается контекстное меню и выбирается команда Add Physics. В открывшемся одноименном окне в списке AC/DC выбирается пункт Electric Currents. Выбор подтверждается нажатием кнопки Add to Component, после чего название физического интерфейса отображается в списке Component дерева модели (см. рис. 7). Выполним настройку физического интерфейса Electric Currents. С этой целью щелчком левой кнопки мыши выделим его имя в списке Component и укажем в графической области элементы модели для исследования, после чего их номера отобразятся в поле Selection окна настроек Settings. По умолчанию интерфейс Electric Currents уже содержит три условия электропроводности. С помощью команд контекстного меню можно добавить дополнительные условия и определить для них параметры. Новое условие добавляется щелчком правой кнопки мыши имени физического интерфейса в списке Component и выбором имени условия в открывшемся контекстном меню. Новое условие появляется в списке как элемент физического интерфейса. С помощью команд Ground и Terminal контекстного меню интерфейса Electric Currents добавим в задачу три новых условия – цепи земли, питания и сигнальные проводники. Определим параметры для каждого условия в окне его настройки:

электронные компоненты №06 2020

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

элементы, автоматически объединяет их в одну группу (см. рис. 4) или удаляет внутренние элементы областей, если этого позволяет геометрия (см. рис. 5).

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

Рис. 7. Добавление интерфейса Electric Currents и условия Terminal в проект, а также настройка параметров условия: выбор сигнальных дорожек на плате, определение типа физической величины и ее значения (поля Selection, Terminal type, Voltage окна Settings)

Рис. 8. Генерация расчетной сетки

Рис. 9. Картина распределения электрического потенциала на поверхности модели платы

www.elcomdesign.ru

пользовательское имя условия (поле Label), соответствующие дорожки на плате (поле Selection), для условий Terminal – тип физической величины (поле Terminal type) и ее значение. Имя поля зависит от выбранного типа; в нашем примере – это Voltage (см. рис. 7). Определим параметры сетки. С этой целью выберем в дереве модели элемент Mesh, а в окне настройки укажем размер элементов сетки (в нашем примере – значение Extra coarse поля Element size), который станет использоваться в расчете всех условий задачи. Генерация сетки выполняется пиктограммой Build All в верхнем левом углу окна настройки (см. рис. 8). Когда все входные параметры определены, расчет проекта можно запустить на выполнение. По окончании расчета среда COMSOL добавит в список Results дерева модели инструменты, которые позволяют выполнить визуализацию полученных результатов, построить графики и оценить распределение исследуемых параметров на поверхности модели. Для оценки электрического потенциала на поверхности модели применяется инструмент Electric Potential. Его выделяют в списке Results, правой кнопкой мыши вызывают контекстное меню и выбирают в нем пункт Surface (Поверхность). Затем в окне настроек в верхнем левом углу щелкают мышью пиктограмму Plot (Построить), чтобы получить картину распределения параметра на поверхности модели в графическом окне (см. рис. 9). В правой части графического окна показана шкала электрического потенциала, на которой максимальное значение отмечено красным цветом, а минимальное – синим. Чтобы отобразить направление протекания тока в проводящих элементах модели, добавим стрелочную диаграмму (см. рис. 10) с помощью команды Arrow Surface контекстного меню элемента Electric Potential. Тип распределения стрелок, плотность их распределения, размер и цвет указываются в окне настроек диаграммы в полях Placement (в нашем примере выберем Gauss points – распределение по Гауссу), Gauss point order, Scale factor и Color, соответственно.

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

Моделирование Джоулева нагрева Важным источником тепловой нагрузки на печатной плате является Джоулев нагрев, который представляет собой процесс выделения тепла при протекании электрического тока через проводник. Для моделирования Джоулева нагрева добавим в проект из списка Heat Transfer окна Add Physics физический интерфейс Heat Transfer in Solids и определим для него граничное условие теплового потока (Heat Flux); далее укажем источники тепла, а затем настроим мультифизическую связь.

Для описания естественной конвекции, возникающей из-за контакта печатной платы с воздушной средой, в разделе теплопередачи в твердых телах (Heat Transfer in Solids) выберем условие теплового потока и в окне его настроек укажем следующие параметры: значение All boundaries (предполагается, что с воздушной средой контактируют все области модели) в поле Selection и величину коэффициента теплопередачи (5 W/(m2*K)) в поле Heat transfer coefficient h. При этом в поле Heat Flux переключатель должен быть установлен в положение Convective heat flux (Конвективный тепловой поток), как видно из рисунка 11а. Значение температуры потока указывается в поле External temperature; в нашем примере – 20°С. С помощью команды Heat Source из контекстного меню интерфейса Heat Transfer in Solids мы добавим в задачу источники тепла (в нашем примере – это компоненты платы) и определим в окне настройки их параметры (см. рис. 11б): номера элементов модели (поле Selection раздела Domain Selection) и их мощность (поле P0 раздела Heat Source). В условии Heat Source 1 в качестве источников тепла определены три микросхемы, мощность которых 5 Вт, в условии Heat Source 2 – конденсатор мощностью 6 Вт, в условии Heat Source 3 – конденсатор мощностью 2 Вт. Теперь настроим параметры мультифизической связи, для чего на вк ладке Physics выберем инструмент Add Multiphysics и в одноименном окне его настройки в списке Heat Transfer/Electromagnetic Heating выделим левой кнопкой мыши элемент Joule Heating (Джоулев нагрев), а в поле Select the physics interfaces you want to couple установкой флажков определим связанные интерфейсы (в нашем примере – Electric Currents и Heat Transfer in Solids). Добавим мультифизическую связь кнопкой Add to Component. В результате ее имя отобразится как элемент списка Multiphysics дерева модели (см. рис. 12). При этом решатель и настройки уравнений для предустановленных интерфейсов и типа исследования адаптируются к выбранному типу задачи; в нашем примере – к Джоулеву нагреву. Сохраним новый проект на диск компьютера с помощью команды Save As в верхней панели инструментов окна программы. Запустим расчет проекта, по окончании которого в список Results дерева модели добавится новый элемент Temperature, который используется для определения температуры нагрева печатных проводников и компонентов платы при пропускании тока. С этой целью элемент Temperature выделяют левой кнопкой мыши, а ее правой кнопкой вызывают контекстное меню и выбирают в нем пунк т Surface (Поверхность). Затем в окне его нас троек в верхнем левом углу щелкаем

а)

б)

Рис. 10. Диаграммы направления протекания тока через: а) конденсатор; б) выводы микросхемы

электронные компоненты №06 2020

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

а)

б) Рис. 11. Настройка параметров условий теплопередачи: а) Heat Flux; б) Heat Source 1

мышью пиктограмму Plot (Построить), чтобы получить картину распределения температуры на поверхности модели, которая появится в графическом окне, как видно из рисунка 13. В правой части графического окна показана температурная шкала, на которой максимальное значение отмечено темно-красным цветом, а минимальное – синим. Как видно из рисунка 13, в результате протекания тока возникает нагрев печатных проводников. Кроме того, нагреваются и компоненты платы. Наибольшее количество тепла выделяет корпус конденсатора (160°C), в результате чего превышается допустимая норма эксплуатации (для SMDконденсаторов – 105°C) и происходит тепловое расширение. Тепловое расширение и деформация элементов печатной платы Теп ловое расшир ение приводит к м е ханиче ск им деформациям, для исследования которых в среде COMSOL

www.elcomdesign.ru

Multiphysics предусмотрен физический интерфейс Solid Mechanics. Чтобы добавить его в проект, выделяют строку Component в дереве модели, щелчком правой кнопки мыши вызывают контекстное меню и выбирают команду Add Physics. В открывшемся одноименном окне в списке выбирают пункт Structural Mechanics/Solid Mechanics (Механика конструкций/механика твердого тела). Выбор подтверждается нажатием кнопки Add to Component, после чего название физического интерфейса отображается в списке Component дерева модели. Добавим эффект теплового расширения в анализ и настроим его параметры, для чего выделим строку Multiphysics в дереве модели, щелчком правой кнопки мыши откроем контекстное меню и выберем в нем пункт Thermal Expansion (Тепловое расширение). Вызванная команда добавит одноименный элемент в список Multiphysics. Выделим его левой кнопкой мыши и в окне Settings в поле Selection выберем

Рис. 12. Добавление в проект мультифизической связи и настройка ее параметров

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

Рис. 13. Результат моделирования Джоулева нагрева печатной платы

Рис. 14. Добавление в проект COMSOL Multiphysics физического интерфейса Solid Mechanics и настройка параметров анализа теплового расширения

электронные компоненты №06 2020

значение All domains (Все области). В результате для всех элементов модели будет включено тепловое расширение (см. рис. 14). Информация о коэффициенте теплового расширения и опорной температуре деформации отображается в разделах Thermal Expansion Properties (Свойства теплового расширения)

и Model Input (Параметры модели) окна настроек, соответственно. Значение коэффициента теплового расширения (поле Coefficient of thermal expansion) можно назначить из списка материалов (пункт From material). Опорная температура деформации (поле Volum reference temperature) по умолчанию равна комнатной (20°C) и является максимальной температурой, при

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

Рис. 15. Исследование теплового расширения модели печатной платы

а)

б) Рис. 16. Визуализация областей смещения, вызванного тепловым расширением и деформацией: а) конденсатора, контактных площадок и печатных проводников, обеспечивающих соединение с компонентом; б) печатной платы; в) ИС и контактных площадок

www.elcomdesign.ru

в)

ного анализа, дают разработчику информацию о состоянии исследуемой модели и процессах, которые в ней происходят. Эта информация полезна для прогноза распределения тепловых полей в конструкции электронного устройства, поскольку позволяет своевременно предотвратить недопустимые перегревы. Выводы

Радиоэлек тронные ус тройс тва содержат большое количество внутренних источников тепловой энергии, которыми являются практически все электрорадиоэлементы. Значительная часть потребляемой ими мощности рассеивается в виде тепла. Внутреннее тепловыделение в совокупности с тепловым воздействием окружающей среды изменяют электрические характеристики радиоэлек т р онны х ср е дс т в. Те м п ер ат у р ные в оз дейс т ви я в радиоэлектронной аппаратуре являются одним из наиболее активных дестабилизирующих факторов, который приводит к изменению физических свойств материалов и геометрических размеров элементов конструкции, что, в свою очередь, вызывает деформации и механические напряжения. Развитие и совершенствование диагностических методик, направленных на определение работоспособности прототипа проектируемого электронного устройства в тех или иных условиях эксплуатации, требует достаточно больших материальных затрат. В большинстве случаев это обусловлено относительно высокой стоимостью используемого экспериментального и диагностического оборудования. В настоящее время оптимальное решение по минимизации затрат с учетом данных о работе устройства достигается использованием имитационных моделей. Благодаря им проблемы выявляются на стадии проектирования и устраняются без существенных затрат путем внесения изменений в топологию печатной платы. Достоверность и точность полученных экспериментальных данных во многом зависит от правильного выбора физических параметров, качества модели, а также математического аппарата, позволяющего максимально точно описать и оценить полученный результат. Необходимо учитывать, что применение дополнительных упрощений в процессе создания модели, удовлетворяющей поставленной задаче, может привести к отличию полученных результатов от реальных данных. Чтобы этого не произошло, исследование можно начать с построения простой модели. Получив полезные результаты, следует перейти к созданию более сложной и более совершенной модели с учетом новых условий и уточненных математических зависимостей. Анализ и оценка теплового режима печатной платы в современной радиоэлектронной аппаратуре – важнейшая задача на стадии разработки и проектирования будущего устройства. Использование современного набора средств автоматизированного проектирования является неотъемлемой частью процесса создания радиоэлектронного устройства, начиная с концепции и закачивания детализированной моделью устройства. Такой подход позволяет уже на этапе проектирования учесть все возможные проблемы, не прибегая к изготовлению макета и прототипа. Литература 1. Колесникова Т. Тепловой анализ печатной платы и ее компонентов в программной среде COMSOL Multiphysics 5.4. Электронные компоненты. 2020. № 5. 2. Бегер Е. Деформации печатных плат: как их предотвратить на этапе конструирования. Электроника: наука, технология, бизнес. 2008. № 8.

электронные компоненты №06 2020

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

которой тепловое расширение еще не наблюдается. В разделе Coupled Interfaces (Сопряженные интерфейсы) показано, какие два физических интерфейса определяют тепловое расширение и механику твердого тела (в нашем примере – интерфейсы Heat Transfer in Solids и Solid Mechanics). Запустим расчет проекта, а затем визуализируем области смещения, вызванного тепловым расширением. С этой целью выделим список Results, правой кнопкой мыши откроем контекстное меню и выберем в нем пункт 3D Plot Group. В результате в списке Results появится новый элемент, в контекстном меню которого выберем пункт Surface для исследования распределения рассматриваемого параметра на поверхности модели. В окне настройки анализа в поле Expression введем переменную, которая описывает тепловое расширение (solid.disp). В поле Unit укажем единицы измерения (mm) и щелкнем мышью пиктограмму Plot. В результате в графическом окне программы на поверхности модели в виде цветовой заливки отобразятся области локального смещения, вызванного тепловым расширением (см. рис. 15). Зоны максимального расширения на карте определены красным и желтым цветом. Теперь добавим сведения о деформации. С этой целью в списке Results/3D Plot Group выделим элемент Surface, правой кнопкой мыши вызовем контекстное меню и выберем в нем пункт Deformation. Полученные результаты анализа представлены на рисунке 16. Как видно из него, превышение максимально допустимой температуры эксплуатации радиокомпонента может привести не только к его деформации, но и к отслоению, к короблению других элементов топологии – подведенных к нему проводников, контактных площадок, а также к деформации печатной платы, на которую он установлен. В результате радиокомпонент может работать некорректно или полностью выйти из строя. В примере на рисунке 16а деформация определена отслоением печатных проводников, контактных площадок и сдвигом компонента на плате по оси Х, а на рисунке 16б – изгибом печатной платы. Визуализация областей смещения, вызванного тепловым расширением и деформации контактных площадок, печатных проводников и интегральной микросхемы при указанных выше настройках представлена на рисунке 16в. Деформации печатных плат возникают по ряду причин, к которым относится воздействие высоких температур и несоответствие исходных материалов требованиям производителей печатных плат: например, для стеклотекстолитов большое значение имеет перпендикулярность и равномерность плетения волокон стеклоткани; если стекловолокна не перпендикулярны и расположены неравномерно, материал может деформироваться при нагреве и, как следствие, возникнуть деформация готовой печатной платы. Деформация печатных плат приводит к многочисленным негативным последствиям; например, могут произойти разрывы проводников, смещение компонентов. Обычно для борьбы с деформацией печатных плат применяют разные технологические решения на этапе производства плат. Однако некоторые приемы, с помощью которых можно существенно снизить вероятность появления деформации, применяются уже на этапе проектирования платы. Например, обеспечивается симметричность структуры многослойных печатных плат и равномерность рисунка медных проводников путем заполнения свободных от меди областей на плате медной фольгой. Таким образом, учет на стадии проектирования требований, предъявляемых к готовой плате, позволяет избежать многих проблем, связанных с ее деформацией. Экспериментальные данные, полученные в результате компьютер-

Новые возможности при использовании 1-Гбит памяти LPDDR3 DRAM от Winbond в приложениях AIoT и 8K ТВ Джеки Ценг (Jacky Tseng), менеджер отдела маркетинга DRAM, Winbond, YCTseng7@winbond.com

Память

Бурное развитие технологий интернета вещей (IoT) и искусственного интеллекта (AI, или ИИ) в последние годы приводит к увеличению спроса на приложения, построенные на их основе. Одной из целей совершенствования этих технологий является создание простых и доступных AIoT-устройств (Artificial Intelligence of Things – сочетание технологии интернета вещей с ИИ). Использование памяти формата LPDDR3 объемом 1 Гбит позволяет ускорить разработку и выход на рынок подобных устройств и, тем самым, является одним из путей достижения данной цели.

Новые решения, к которым относятся современные системы видеонаблюдения, приложения для умного дома и телевизоры с разрешением 8 К, значительно повышают спрос и требования к используемым компонентам. В связи с этим многие производители микросхем разрабатывают новые СнК (система-на-кристалле) с более высокой производительностью. Использование новых СнК в решениях DRAM повышает их характеристики, однако для создания изделий формата Specialty DRAM (SDRAM) требуются дополнительные опции. Следуя тенденциям рынка, компания Winbond Electronics Corporation предлагает семейства изделий в области памяти с большой и малой плотностью, которые обеспечивают высокую производительность и быстродействие. В номенклатуру компании входят линейки изделий LPDDR3 и LPDDR4 с малым энергопотреблением, функциями FSP (Frequency Set Point) и уровнем VDD2 у LP4x равным 0,6 В. Создание решения 1 Гбит ×32 LPDDR3 со скоростью записи 8,52 Гбит/с и энергопотреблением около 0,3 Вт позволило компании Winbond в еще большей мере расширить ассортимент продукции и выйти на рынок AIoT-приложений и дисплеев со сверхвысоким разрешением. Обе линейки LPDDR3 и LPDDR4 от Winbond являются законченными решениями и предлагаются на рынке. Для увеличения скорости передачи данных компания Winbond использует память преимущественно с низкой плотностью, благодаря чему такие решения как телевизионные 8K-панели (8K TV) могут использовать T‑Con (Timing Control – контроллер синхронизации) в связке с LPDDR3 с полосой пропускания ×32 или ×64, что позволяет повысить производительность и уменьшить затраты на производство. Требование обеспечить высокоскоростную память в связке с T‑Con, например 1 Гбит LPDDR3, в современных решениях обусловлено необходимостью в поддержке таких функций как Super Resolution, MEMC и Artificial Intelligence Picture Quality (AI PQ). Память формата LPDDR3, используемая в современных СнК, завоевала доверие и широко используется разработчиками микросхем. ИС LPDDR3 представляет собой сложное цифровое устройство, в чем нетрудно убедиться, обратившись к ее структурной схеме (см. рис. 1).

www.elcomdesign.ru

В современных СнК 8K ТВ T‑Con используются два или четыре кристалла памяти 1‑Гбит DDR3 ×16, что является общепринятым стандартом. Компания Winbond предлагает использовать вместо этого один или два кристалла LPDDR3 ×32 емкостью 1 Гбит, что позволит сократить время и затраты на производство. Использование одного–двух кристаллов LPDDR3 ×32 обеспечивает пропускную способность на уровне 8,52 или 17,04 Гбит/с, соответственно, чего более чем достаточно для удовлетворения потребностей разработчиков микросхем и производителей конечных решений. К преимуществам использования LPDDR3, помимо снижения стоимости, также относится сокращение энергопотребления и исключение проблем, которые возникают при сопряжении DRAM в двух кристаллах памяти. Еще одним предложением компании Winbond является использование двух кристаллов памят и 1‑ Гб и т LPD D R 3 ×6 4 д л я з а м е н ы LPD D R 4, ч т о соответствует современным возможностям AI PQ, позволяя в то же время сократить затраты на производство и ускорить разработку новых изделий. Дело в том, что, с инженерной точки зрения, переход с LPDDR2 на LPDDR3 осущес твить намного проще, чем с LPDDR2 на LPDDR4, т. к. LPDDR3 и LPDDR2 имеют сходство в схемотехнике на уровне 90%. В конечном итоге, использование 1‑Гбит LPDDR3 ×64 позволит в значительной степени сократить затраты и время на разработку новых решений. Использование LPDDR3 ускорит выход на рынок новых устройств

На сегодняшний день многие разработчики встраиваемых систем сталкиваются с проблемой обновления устаревшего формата LPDDR2 более современными решениями LPDDR4. Проблема, в первую очередь, заключается во временных затратах на проработку схемы для обеспечения целостности сигнала, а также на проверку и тестирование нового дизайна из-за значительных различий в структуре между LPDDR2 и LPDDR4. Все это в конечном итоге сказывается на скорости вывода продукции на рынок и влечет большие риски, особенно в условиях нынешней пандемии. Использование LPDDR3 вместо LPDDR4 даст разработчикам ощутимые

Память

Рис. 1. Структурная схема LPDDR3

преимущества и выигрыш во времени благодаря тому, что дизайн LPDDR3 на 90% совпадает с дизайном LPDDR2. За последние девять месяцев было реализовано более 15 проектов Design In & Design Win по внедрению 1‑Гбит LPDDR3 от Winbond в СнК крупных производителей из Тайваня, Японии, Южной Кореи и Китая. К конечным изделиям, в которых применяется 1‑Гбит LPDDR3, относятся AIoT-устройства и контроллеры AI Inference, T‑Con 8K TV, видеопроцессоры с поддержкой AI, умные колонки и видеодомофоны, а также мобильные POS-системы. Еще больше проектов планируется реализовать в течение 2020–2021 гг.: потенциал рынка огромен и продолжает увеличиваться. Постоянно растущая тенденция к повсеместному использованию искусственного интеллекта в потребительских приложениях и умных системах открывает новые рынки и возможности для производителей встраиваемых систем, порож-

дает при этом множество новых проблем. Компания Winbond, являясь производителем интегрированных устройств, предлагает решения DRAM по принципу KGD (Known-Good-Die – заведомо качественные кристаллы), предназначенные для современных систем и имеющие неоспоримые преимущества. Winbond постоянно совершенствует дизайн выпускаемых решений и технологии производства, увеличивая конкурентоспособность выпускаемой продукции. Номенклатура решений Winbond включает в себя линейки продуктов Mobile RAM, Specialty DRAM и Flash, удовлетворяющие практически любые потребности рынка высокоскоростной памяти с малым энергопотреблением. Компания Winbond имеет собственное производство 12‑дюймовых полупроводниковых пластин и идет в ногу с новыми технологиями, обеспечивая конкурентоспособность решений, долгосрочную поддержку и гарантию.

электронные компоненты №06 2020

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| НОВОСТИ КОМПАНИИ Bel Fuse Inc. |

Плата повторителя Ethernet от Bel Stewart Connector для жестких условий эксплуатации

Новая модель SS‑60400–028, дополняющая серию SealJack, представляет собой повторитель сигнала на печатной плате RJ45‑RJ45 с защитой класса IP67 на одной из сторон, идеально подходящий для жестких условий эксплуатации. В составе платы используется экранированный герметичный горизонтальный разъем из серии RJ45 SealJack SS‑60400–021, обеспечивающий подключение с защитой класса IP67 при монтаже снаружи панели или корпуса. На другой стороне установлен стандартный экранированный разъем RJ45 SS‑60300–032 для реализации соединений внутри устройства. Это решение обеспечивает экранированное подключение по Ethernet с помощью стандартных патч-кордов RJ45 на обеих сторонах повторителя. Надежная и компактная конструкция соединителя обеспечивает скорости 1‑ и 2,5‑Гбит/с Ethernet и оснащена светодиодной индикацией (Green/Yellow). Это компактное изделие, отвечающее требованиям IP67, исключает необходимость в использовании колпачка или крышки, когда отсутствует подключение, что позволяет применять низкопрофильный разъем на внешней стороне. Серия SealJack идеально походит для подключения устройств в зоне действия интернета вещей (IoT), где требуется надежность и функциональность, а на Ethernet-устройства налагаются требования жестких условий эксплуатации. Применения: • промышленное оборудование; • служебная связь; • испытательное оборудование; • медицинские приборы.

НОВОС ТИ ТЕХНОЛОГИЙ

Новая линейка преобразователей напряжения серии 0RQB Bel Power Solutions для жестких условий эксплуатации и железнодорожной аппаратуры

Новая серия бескорпусных изолированных DC/DC-преобразователей 0RQB разработана с учетом требований международных стандартов железнодорожного транспорта. Применяемая компонентная база и защитное покрытие платы обеспечивают устойчивость к воздействию жестких условий внешней среды. Изделия также обладают собственной защитой от электрических воздействий, температурной защитой и контактом для подключения буферного (hold-up) конденсатора с целью обеспечения работы при кратковременном отсутствии питания (до 12 мс). Благодаря высокому КПД до 93% блоки стабильно работают во всем диапазоне температур и напряжений. Характеристики: • форм-фактор: ¼ brick; • диапазон рабочей температуры: –40…100°C, запуск при –55°C (в зависимости от модели); • КПД: до 93%; • диапазоны входного напряжения: – 14,4–154 В для моделей мощностью 15–50 Вт; – 17–75 и 43–155 В для моделей мощностью 100–200 Вт; • выходное напряжение: 5; 12; 24; 48 В (в зависимости от модели); • встроенная защита: – КЗ, перенапряжение и перегрузка на выходе; – перегрев; – отключение при повышенном и пониженном напряжении на входе; • опционально: – контакт для подключения конденсатора Hold-up; – внешнее управление; – линии дистанционного контроля напряжения на нагрузке.

Новая серия предохранителей 0680L для поверхностного монтажа от Bel Circuit Protection

Керамические предохранители новой серии 0680L для поверхностного монтажа с защитой от пускового тока выполнены в корпусах 2410. Эти плавкие предохранители с медленной характеристикой срабатывания (Slow Blow) предназначены для автомобильной промышленности и применений, которые требуют высокого номинального напряжения постоянного тока (до 125 В) и высокого напряжения размыкания. Предохранители Bel серии 0680L совместимы с процессом бессвинцовой инфракрасной пайки при температуре 260°C. Выпускаются модели с номинальными токами 375 мА…12 А и широким диапазоном рабочей температуры

www.elcomdesign.ru

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ –55…125°C. Они соответствуют требованиям AEC-Q200, RoHS (с исключением 7 (а)), не содержат галогенов (MSL = 1) и свинца. Кроме того, эти компоненты можно упаковать в ленту или катушку для автоматического монтажа. Керамические предохранители новой серии соответствуют требованиям автомобильной квалификации Bel, основанной на плане испытаний AEC-Q. Характеристики: • токи (ном.): 375 мА…12 А; • рабочее напряжение: до 125 В; • корпус: 2410 SMD; • диапазон рабочей температуры: –55…125°C.

Новые комбинированные разъемы RJ45‑USB от Bel Magnetic Solutions

Модели серии ComboJack объединяют в одном корпусе разъемы RJ45 Ethernet и USB-A 2.0. Эта комбинация позволяет группировать один или два разъема USB с разъемом RJ45 в один компонент с надежным форм-фактором малого размера. Экономия занимаемого на плате пространства становится все более важной, поскольку оборудование связи и вычислений миниатюризуется, а потребность в дополнительных вариантах разъемов ввода/вывода возрастает. Благодаря двум вариантам наполнения и возможности использования в промышленном диапазоне температур комбинация USB 2.0 и MagJack предназначена не только для широкого диапазона стандартных применений Ethernet 10/100Base-T или 1000BASE-T, но и для промышленных устройств, к которым относятся коммутаторы и контроллеры Ethernet, маршрутизаторы, материнские платы и консольные порты. Предлагаемые модели: 0820–1X1T‑00‑F – 1×RJ45, 1×USB, 1000Base-T, 0–70°C; 0821–1X1T‑36‑F – 1×RJ45, 1×USB, 10/100Base-T, –40…85°C; 0821–1X1T‑32‑F – 1×RJ45, 1×USB, 1000Base-T, –40…85°C; 0862–1J1T‑46A-F – 1×RJ45, 2×USB, 1000Base-T, –40…85°C.

Серия изделий SMA дополнена 45° соединителем 142–0711–271. Этот тип разъема обычно используется в испытательном и измерительном оборудовании, анализаторах печатных плат и сетевых применениях. Разъем SMA 45° от Cinch Connectivity Solutions превосходно функционирует с максимальным КСВН = 1,30 до 12 ГГц и КСВН = 1,50 в диапазоне частот 12–18 ГГц. Разъемы с углом 45° обычно применяются для обеспечения соединений в середине платы в малогабаритных корпусах, а также в соединениях плата–плата, где ограничения по высоте и ширине не допускают вертикального монтажа или установки краевого разъема.

НОВОС ТИ ТЕХНОЛОГИЙ

SMA-соединители Johnson 45° для монтажа на плату от Cinch Connectivity Solutions

75 Дополнительную информацию и опытные образцы можно получить у официальных дистрибьюторов в России или обратившись в представительство компании.

POWER | PROTECT | CONNECT https://belfuse.com/ +7 (499) 391-4357 info.russia@belf.com

электронные компоненты №06 2020

Повышение надежности имплантируемых медицинских устройств с помощью кремниевых конденсаторов Себастьян Лерус (Sébastien Leruez), Murata

В статье рассматриваются кремниевые конденсаторы компании Murata, и приводятся их основные параметры. Высокая надежность конденсаторов позволяет использовать их в критически важных приложениях, в т. ч. в имплантируемых медицинских устройствах. Очень малая высота этих компонентов (не более 100 мкм) помогает уменьшить размеры всего изделия в целом.

Пассивные компоненты

Введение

В настоящее время в электронной отрасли отчетливо прослеживаются две тенденции развития – миниатюризация и повышение надежности. Благодаря миниатюризации можно создавать портативные изделия, а надежность позволяет быть уверенным в безотказной работе и доступности электронных устройств. Низкая надежность наносит ущерб производителю и, в конце концов, может привести к значительным потерям из-за устранения неисправностей в уже произведенной продукции. Как известно, ненадежнос ть коммуникационных устройств и сетевого оборудования приводит к существенным потерям пользователей. Выход же из строя медицинской техники может стоить жизни пациента, что не сравнимо ни с какими финансовыми потерями. В статье мы покажем, как новое поколение кремниевых конденсаторов компании Murata позволяет увеличить надежность имплантируемых медицинских устройств нового поколения. Этот сегмент рынка медицинской техники постоянно растет. В частности, благодаря этим устройствам увеличивается продолжительность и улучшается качество жизни, уменьшается зависимость от лечебных учреждений. Обычно имплантируемые медицинские устройства ассоциируются, прежде всего, с кардиостимуляторами. Однако к настоящему времени круг таких устройств значительно расширился. Импланты, как правило, вводятся путем хирургического вмешательства. Они могут устанавливаться временно или постоянно, и предназначены для заме-

www.elcomdesign.ru

Глубокая стимуляция головного мозга

Кохлеарный (улитковый) имплант

Дефибриллятор и водитель ритма

Желудочный стимулятор

Дозатор инсулина

Имплант отвисающей стопы Рис. 1. Области применения имплантов

ны или поддержки жизнедеятельности человека. Увеличение продолжительности жизни, к сожалению, сопровождается ростом числа хронических заболеваний, к которым относятся сердечная недостаточность, аритмии, проблемы опорно-двигательного аппарата, проблемы с органами чувств и некоторые другие. Соответственно, растет рынок имплантируемых устройств, объем котор ого оценив ае тс я де с ятк ам и миллиардов долларов с ежегодным приростом 5%. На рисунке 1 схематично показаны области применения имплантов.

Поскольку все импланты частично или полностью встраиваются в тело человека, они должны иметь минимальный размер. Разумеется, их надежность должна быть очень высока. В свою очередь, она достигается не только за счет схемотехнических решений, но зависит и от надежности используемых компонентов. Ни одно электронное изделие не может обойтись без конденсаторов. Во многих случаях при их выборе руководствуются, в основном, электрическими параметрами конденсаторов. Однако если речь идет об имплантах, на первый план выходит надежность, долговечность и минимальные размеры.

Для минимизации размеров в импланте используются бескорпусные полупроводниковые компоненты, а также бескорпусные танталовые или керамические конденсаторы. Для их установки в конструкцию бескорпусных полупроводниковых компонентов требуется отдельный технологический процесс. Отметим еще одну особенность конденсаторов этого типа – их емкость уменьшается по мере старения и при увеличении на них напряжения. Таким образом, иной раз разработчику приходится выбирать конденсатор большей емкости, что приводит к увеличению размеров компонента. Поскольку все импланты имеют батарейное питание, срок службы батарей необходимо максимально увеличить, для чего уменьшается ток потребления. Последний зависит также от утечек конденсаторов, особенно если они установлены между шиной питания и землей. Кремниевые конденсаторы для имплантируемых устройств

ющую у керамических конденсаторов 2200 нФ/м3. Кроме того, конденсаторы этого типа существенно выигрывают и по надежности у своих конк урентов. В производс твенном процессе монтажа конденсатора в кремниевую матрицу он подвергается температурному воздействию 100°C, а в процессе эксплуатации температура окружающей среды составляет 37°C. При таких условиях в течение 10‑летнего срока службы ожидаемая частота отказов керамических конденсаторов группы X7R составит 11,5 ppm, танталовых конденсаторов – 5526 ppm, а КК – всего 1 ppm. Столь высокая надежность более чем приемлема для критически важных приложений, к которым относится и рассматриваемая нами область применения. Предлагаемые решения

Не сколько ко м паний пр о из в о дят кремниевые конденсаторы. Одна из них – Murata, чья продукция отлично известна на российском рынке. Серия КК MGSC этой компании выпускается с использованием хорошо зареко мендовавшей себя trench-технологии. Кремниевые конденсаторы компании Murata имеют уникальный мозаичный дизайн (Mosaic) (см. рис. 2), использ у ю щ и й р а сп р е д е л е н н ы е t r e n c h конденсаторы. Поскольк у оксид конденсаторов в процессе производства отверждается при 900°C, конденсаторы серии MGSC можно испытывать в соответствии с требованиями стандарта AEC- Q10 0. Чтобы иск лючить ранние отказы, все без исключения конденсаторы проходят тестирование. Перечислим основные параметры конденсаторов серии MGSC: -- емкость (ном.): 1 нФ…1 мкФ; -- отклонения от номинального значения емкости: ±15%; -- температ урный коэффициент емкости: 60 ppm; -- надежность: 0,017 ppb (частей на миллиард); -- высота: 100 мкм; -- диапазон рабочей температуры: –55…150°C.

Отличная надежность конденсаторов серии MGSC позволяет использовать их в критически важных приложениях, а очень малая высота (100 мкм), делает возможным создание вертикального стека конденсаторов для получения требуемой емкости. Помимо доступных для заказа конденсаторов серии MGSC компания Murata выпускает конденсаторы в соответствии с индивидуальными требованиями заказчика. Возможно изготовление не только отдельных специализированных конденсаторов, но и их интеграция в модуль пассивных компонентов (IPD). Использование прогрессивной технологии интеграции пассивных компонентов на кремневой подложке (PICS) позволяет объединять конденсаторы серии MGSC в единый модуль с другими кремниевыми компонентами, в т. ч. с резисторами и диодами. В дальнейшем такие модули пассивных компонентов можно будет интегрировать с активными кремниевыми компонентами. Подобный подход позволяет получить компактное устройство с очень высокой надежностью. Выводы

В ряде критически важных приложений, к которым относятся имплантируемые медицинские устройства, на первый план выходит надежность изделия. Кроме того, очень важно, чтобы имплант был миниатюрным. Керамические конденсаторы компании Murata, изготовленные с использованием прогрессивных технологических МОП-процессов, имеют очень высокую надежность. Их параметры остаются стабильными во всем диапазоне рабочей температуры и напряжения. У КК эффект старения крайне невелик по сравнению с конденсаторами других типов. Стабильность параметров заметно облегчает разработку устройства. Очень тонкая конструкция конденсаторов позволяет уменьшить габариты изделия. По всем вопросам, связанным с кремниевыми конденсаторами компании Murata, обращайтесь по адресу murata@ symmetron.ru.

электронные компоненты №06 2020

Пассивные компоненты

Учитывая все эти соображения, кер ам иче ск ие кон денсаторы (КК ) выглядят привлекательной альтернативой для использования в имплантах в составе кремниевой матрицы с высокой степенью интеграции. Кремниевые конденсаторы, изготавливаемые с использованием технологического МОП-процесса, обладают целым рядом привлекательных свойств. Они имеют крайне низкий ток утечки: у 3,6‑В конденсаторов емкостью сотни нФ этот ток находится в диапазоне пА; при этом не требуется делать предварительный отбор компонентов по этому параметру. Кроме того, у КК – отличная стабильность параметров по сравнению с другими конденсаторами. Например, их температурная стабильность не хуже 0,002% при температуре до 200°C, тогда как емкость некоторых керамических конденсаторов уменьшается на 70% уже при 100°C. У керамических конденсаторов группы X7R при напряжении 6 В емкость существенно уменьшается. У керамических конденсаторов других групп она может уменьшаться даже на 90%. В то же время уменьшение емкости КК не превышает 0,1%/В. Стабильность параметров конденсаторов упрощает разработку – проектировщику нет нужды учитывать зависимость емкости конденсатора от напряжения и изменение емкости в течение срока службы. По этой причине нет необходимости перестраховываться и выбирать конденсатор большей емкости; соответственно, уменьшаются и его размеры. Следует упомянуть и высокую плотность емкости, достига-

Рис. 2. Керамические конденсаторы компании Murata

Некоторые особенности использования высокотемпературных резисторов Игорь Никитин, IggNickwork@gmail.com В статье рассматриваются резисторы разных типов, предназначенные для приложений, которые функционируют при повышенной рабочей температуре. Даются рекомендации по их применению. Кратко перечисляются особенности применения токочувствительных резисторов.

Пассивные компоненты

Введение

В общем случае применение резисторов не вызывает проблем, и разработчик выбирает резистор, исходя, прежде всего, из требуемого номинального значения и не интересуясь типом этого компонента. Однако существуют приложения, требующие при выборе резисторов иметь в виду не только номинальные значения сопротивления, но и типы. Такой выбор приходится делать при разработке приложений, у которых температура окружающей среды существенно превышает 100°C. Такие приложения вос требованы в нефтегазовой и автомобильной отрас лях. К нас тоящему времени, с появлением карбидокремниевых полупроводниковых приборов, к этим приложениям добавилась и силовая электроника. В этой связи нелишним будет напомнить разработчикам об особенностях резисторов разных типов. Проволочные резисторы

Наш короткий обзор начнем с проволочных резисторов. У них довольно простая конструкция: резистивный провод, например нихром, наматывается на внутренний каркас из окиси алюминия или стеатитовой керамики. Нихромовые резисторы выдерживают температуру до 200–250°C, а в некоторых случаях и выше. От воздействий внешней среды такой резистор защищен стекловидной эмалью, силиконом или эпоксидной смесью. К сожалению, именно защитная оболочка проволочного резистора чаще всего и является его слабым местом при высоких температурах. Различие в коэффициентах теплового расширения может вызвать деформацию поверхности, трещины на ней, а попадание в них влаги ускорит разрушение защитной оболочки и, в конечном счете, приведет к полному отказу резистора. Наиболее подвержена разрушению оболочка из эпоксидных смол, тогда как покрытия

www.elcomdesign.ru

из стекловидных материалов и силиконов гораздо устойчивее к высоким температурам. Иногд а при м ен яе тс я э м а лево е покрытие, котор о е о б е спечив ае т дополнительную защиту в химически агрессивных средах, но при высоких температурах удельное сопротивление такого покрытия заметно снижается, что может повлиять на номинальное сопротивление резистора и увеличить погрешность. Одним из недостатков проволочных резисторов является их паразитная индуктивность, особенно при высоких значениях сопротивления. Этот недостаток частично устраняется способом намотки проволоки: две секции обмотки мотаются в противоположных направлениях и включаются последовательно для компенсации противоположно текущих токов. Недостаток данного способа заключается в увеличении размера резистора. Толстопленочные резисторы

Толстопленочные резисторы изготавливаются путем нанесения металлических частиц на керамическ ую подложку с последующим обжигом при температуре выше 700°C, благодаря чему образуется проводящая керметная (керамика–металл) матрица. Композиции для керметных резисторов

Рис. 1. Схематичное устройство толстопленочного резистора

могут составляться из золота или смеси палладия с серебром. Резисторы этого типа могут иметь малый типоразмер вплоть до 0201. Схематично устройство толстопленочного резистора показано на рисунке 1. У резисторов рассматриваемого типа – высокая температурная стабильность. Например, при испытании без нагрузки толстопленочных резисторов одной из компаний при 300°C в течение 1000 ч их сопротивление изменилось всего на 0,25%. Результаты испытаний показаны на рисунке 2. Те м п е р а т у р н ы й к о э ф ф и ц и е н т сопротивления (ТКС) этих резисторов в диапазоне нормальных температур сос тавляет примерно 100 ppm/°C, н о м оже т р е з ко м е н я т ь с я в з о н е

Рис. 2. Результаты испытаний толстопленочного резистора

в ы со к и х т е м п е р а т у р. Пр и м е р н а я зависимость ТКС толстопленочных резисторов от температуры показана на рисунке 3. Таким образом, хотя толстопленочные резисторы выигрывают у проволочных по габаритам, в приложениях, где помимо способности выдерживать высокие температуры требуется еще уменьшить погрешности, лучше использовать тонкопленочные или проволочные резисторы. Тонкопленочные резисторы

Таблица. Свойства резистивных материалов тонкопленочных резисторов Резистивный материал

Точка плавления, °С

ТКС, ppm/°С

Нитрид тантала TaN

3360

±15

Нихром 80Ni20Cr

1400

±10

Обе резистивные пленки обеспечивают стабильность сопротивления и малый ТКС при нормальных температурах. Кроме того, эти параметры не столь значительно ухудшаются в диапазоне высоких температур. В отличие от толстопленочных резисторов, у тонкопленочных компонентов зависимость ТКС от температуры близка к линейной. На рисунке 4 показ ано, к ак из м ен яетс я Т КС в з ави симос ти от температ уры в с лучае нихромовых резисторов разных типов. У резисторов с резистивным слоем из нитрида тантала эти зависимости имеют аналогичный вид. Мы уже упомянули возможность изготов ления матрицы тонкопле ночных резисторов в одном корпусе. Дополнительным преимуществом такого решения является отличное согла-

Рис. 3. Изменение ТКС толстопленочного резистора в зависимости от температуры

Рис. 4. Изменение ТКС в зависимости от температуры для нихромовых резисторов разных типов

со в а н и е п ар а м е т р о в р е з и с т о р о в сборки. На рисунке 5 показано, как меняется со временем 10‑кОм сопротивление резисторов 7‑резисторной матрицы при 200°C. Как видно из рисунка, рассогласование временного изменения сопротивлений резисторов сборки весьма невелико. Изменение сопротивления резисторов происходит по ряду причин: из-за окисления, миграции резистивных слоев, диффузии металла. Уменьшить дрейф сопротивления со временем помогает предварительное прокаливание при высокой температуре.

На рисунке 6 показан график изменения сопротивления такой же резисторной сборки, что на рисунке 5, но подвергшейся предварительному прокаливанию в течение 148 ч. Как видно из рисунка, сопротивление резисторов стало изменяться гораздо меньше. Рисунки 5 и 6 показывают хорошее согласование сопротивлений всех резисторов сборки, что позволяет создать на их базе стабильные высокоточные резистивные делители или цепи R–2R во всем диапазоне рабочей температ уры. Кроме того, использование резис торных сборок , как

Рис. 5. Изменение во времени сопротивления 10-кОм резисторов 7-резисторной матрицы

электронные компоненты №06 2020

Пассивные компоненты

В отличие от толс топ леночных резисторов, которые производятся с помощью аддитивного высокотемпературного процесса, тонкопленочные резисторы изготавливаются посредс т в о м с у б т р ак т и в н о й (в ы т р ав л и ванием) технологии осаж дения распылением. Дальнейшие производственные операции применяются для кондиционирования резистивного слоя и оптимизации температурных характеристик. То н к о п л е н о ч н ы е р е з и с т о р ы характеризуются малым ТКС и малой погрешнос тью. Кроме одиночных резисторов, на рынке предлагаются и сборки тонкопленочных резисторов. В качестве резистивного материала в них обычно используется сплав нихрома или нитрид тантала. Тепловые свойства этих материалов приведены в таблице. Как из нее видно, оба материала имеют высокую температуру плавления и высокую устойчивость к окислению.

правило, позволяет выиграть в стоимос ти по сравнению с решениями из одинарных резисторов, обеспечивающих ту же точность и стабильность. На рисунке 7 показаны типичные рассогласования сопротивлений упомянутой 10‑кОм матрицы. Согласитесь, что рассогласование 50 ppm (0,005%) удовлетворяет большинству самых строгих требований. Помимо перечис ленных выше типов резисторов, для использования при высокой температуре подойдут резисторы из фольги, но они заметно дороже перечисленных выше и применяются относительно редко, поэтому мы не включили их в наш обзор.

Пассивные компоненты

Токочувствительные резисторы

Повышение температуры резисторов до высоких значений происходит не только при высокой температуре окружающей среды, но и в результате саморазогрева, что часто бывает при использовании их в качестве шунтов в схемах силовой электроники. Поэтому в зак лючение мы рассмотрим особенности этого приложения. В качес тве токочувс твительных резисторов и шунтов, в основном, применяются толсто- и тонкопленочные резисторы, а также резисторы из металлических сплавов. Тонкопленочные резисторы обычно используются для прецизионных измерений относительно небольших токов. Толстопленочные резисторы пригодны для измерения больших токов, чем тонкопленочные, но они не обеспечивают ту же точность измерений. Резисторы из металлических сплавов хорошо справляются со значительными бросками токов и применяются для измерения больших токов. Номинальное сопротивление этих резисторов достигает весьма малых величин в несколько десятых долей Ом. При выборе номинальной мощности токочувствительного резистора следует учитывать возможность локального

Рис. 6. Изменение во времени сопротивления 10-кОм резисторов 7-резисторной матрицы, подвергшейся предварительному прокаливанию в течение 148 ч

Рис. 7. Рассогласование сопротивлений 10-кОм резисторной матрицы

перегрева. Нагрев резистора свыше 150°C не причинит ему вреда, однако при высокой плотности монтажа и неудачной компоновке токочувствительный резистор может оказаться в тепловом кармане и нагреть все расположенные рядом компоненты до очень высокой температуры, на которую они не рассчитаны. К тому же, при неудачной компоновке может произойти неравномерный

нагрев по длине резистора, что приведет к появлению термоЭДС. ТермоЭДС толстопленочного резистора достигает значительной величины – нескольких десятков мкВ/°C, тогда как у резисторов из металлических сплавов она не превышает 3 мкВ/°C. Для лучшего ох лаж дения токочувствительного резистора следует оставить зазор между его корпусом и печатной платой.

События рынка

| В 2019 г. вендоры поставили 265 млн сотовых IoT-модулей |

На 22% в 2019 г. по сравнению с 2018 г. выросли мировые поставки IoT-модулей, работающих в лицензируемых LPWAсетях. По итогам прошлого года, объем поставок превысил 265 млн ед. Однако выручка поставщиков увеличилась лишь на 7%, утверждают аналитики Berg Insight. По словам представителей этого консалтингового агентства, небольшой прирост выручки обусловлен усилением конкуренции на рынке и массовостью бюджетных IoT-модулей для нелицензируемых сетей. 71% рынка занимают пять ведущих компаний: Quectel, Sierra Wireless, Thales, Sunsea AIoT и Telit. Их общие доходы от поставок IoT-модулей оцениваются в 2,2 млрд долл. В Berg Insight полагают, что лицензируемые LPWAN-технологии – LTE-M и NB-IoT – в ближайшие пять лет внесут значительный вклад в развитие рынка IoT-модулей. 5G-модули для интернета вещей появятся во 2-й половине 2020 г. А уже через год стартуют поставки легковых автомобилей с IoT-модулями 5G на борту. Еще двумя распространенными сценариями использования IoT в сетях 5G станут видеонаблюдение и мультимедийные приложения. www.russianelectronics.ru

www.elcomdesign.ru

Антенный массив с симметрирующим устройством, нечувствительный к металлическим плоскостям Михаил Ремизов, инженер

СВЧ

В статье описывается антенный массив из печатных диполей, на работу которого не влияют расположенные поблизости металлические плоскости. Это достигается за счет добавления слоя искусственного магнитного проводника под подложкой диполя. Питание на элементы антенны поступает через симметрирующее устройство.

В мобильном оборудовании связи, как правило, используются проводные антенны, например монополи или перевернутая L‑антенна. Чтобы уместить ее в ограниченном пространстве печатной платы, излучающий элемент сгибают и располагают на малом расстоянии параллельно металлическому слою заземления, влажной поверхности или коже (для носимых устройств). В этом случае не соблюдается согласование входного импеданса антенны, что увеличивает обратные потери и ухудшает характеристики излучения, поскольку электромагнитные поля, генерируемые излучателем вблизи идеального проводника, становятся связанными. Для повышения качества связи используют планарную перевернутую F‑антенну (PIFA) либо изменяют граничные условия на металлической платформе. В настоящей статье описывается массив из комбинированных искусственных магнитных проводников и печатных диполей, объединенных в матрицу Батлера. Особенностями предлагаемой антенны являются низкий профиль, а также способность работать в сложных условиях вблизи металлических или других поверхностей, вызывающих потери. Для применимости данного метода к носимым устройствам формирования луча рабочая частота задана равной 2,4 ГГц. Высота структуры мала по сравнению с другими антеннами с искусственными магнитными проводниками. Матрица вырабатывает четыре луча, которые остаются практически неизменными даже вблизи идеального проводника. Предлагаемое решение было смоделировано методом полной волны и исследовано на прототипе. Получены

www.elcomdesign.ru

Рис. 1. Частотная зависимость S11 антенного элемента

а)

б)

Рис. 2. Сравнение диполя с а) классическим магнитным проводником; б) предлагаемым симметрирующим устройством

зависимости параметра S11 и диаграммы направленности в дальней зоне. Диполь на искусственном магнитном проводнике

а)

б) Рис. 3. Частотная зависимость S-параметров а) классического; б) предлагаемого симметрирующих устройств

СВЧ

Для демонстрации преимуществ предлагаемой конфигурации проведем три эксперимента с разными граничными условиями для дипольной антенны, изготовленной на стеклотекстолитовой подложке толщиной 1 мм с относительной диэлектрической проницаемостью 4,3 и тангенсом угла потерь 0,02. На рисунке 1 показаны характеристики антенного элемента без дополнительных слоев (черным), с идеальным электрическим проводником (синим) и с идеальным магнитным проводником (красным). В отс у тс твие дополнительных элементов антенна имеет заметный резонанс на частоте 2,4 ГГц, диаграмма направленности сферична. Такие условия назовем «нормальными». Мы покажем, что при наличии идеального проводника (синяя кривая) по сравнению с нормальными условиями значительно ухудшается не только S11, но и направленность в дальней зоне. Если заменить идеальный проводник идеальным магнитным проводником (красная кривая), параметр S11 и диагр а м м а напр ав ленно с ти ан тенны становятся лучше, чем при наличии идеального проводника рядом. Идеальным можно считать искусственный магнитный проводник, если он работает во всей интересующей полосе частот. Заметим, что комбинация тонкого диполя и искусственного магнитного проводника не является новой идеей. Она обеспечивает хорошее согласование импедансов, приемлемый коэффициент усиления, низкую удельную скорость поглощения даже в непосредственной близости от человеческой кожи. Предлагаемое решение, однако, отличается несколькими важными геометрическими параметрами. Во‑первых, исходная структура не подходит для планарного исполнения, поскольку питание в ней осуществляется с помощью коаксиального кабеля. Для обеспечения питания требуется согласующее устройство на линиях передачи, состоящее из синфазной и противофазной (сдвиг 180º) цепей. Оно должно быть тщательно сконфигурировано, чтобы не взаимодействовать с искусственным магнитным проводником, напечатанным под антенной. Форма симметрирующего устройства показана на рисунке 2. Для сравнения приведено классическое симметрирующее устройство. Если элементы массива выровнены в поперечном направлении,

а)

б)

Рис. 4. а) топология и геометрические параметры; б) внешний вид антенны с искусственным магнитным проводником

электронные компоненты №06 2020

Таблица 1. Геометрические размеры схемы при резонансе на 2,4 ГГц Параметр

Значение, мм

Параметр

Значение, мм

Параметр

Значение, мм

lSUB

83,2

wSUB

2,5

lTOT

240

wTOT

265

зазор

12,2

17,5

а)

устройством, осуществляющим питание печатного диполя. Линии питания имеют согнутую форму и проходят в непосредственной близости от антенны, не набегая на вспомогательные кольцевые резонаторы, которые расположены на под ложке из с тек лотекс толита. Эта с хема сложнее к лассической, потому что согласование импедансов затрудняется наличием симметрирующего ус тройс тва в главной и связанной цепях, а так же небольшого зазора меж ду линиями питания, который слу жит для предотвращения пересечения спиралей. Геометрические параметры элементов схемы для обеспечения резонанса на частоте 2,4 ГГц приведены в таблице 1. Характеристики антенного элемента при этих значениях показаны на рис унке 5. Несмотря на разрывы в симметрирующем устройстве, импеданс согласован на резонансной частоте. Результаты элек тромагнитного моделирования и прямых измерений показывают близкое соответствие. Коэффициент усиления антенны составляет около 2,5 дБи. Широкий луч позволяет осуществлять синтез антенной решетки, хотя наблюдается слабое расхождение между измеренной и смоделированной диаграммами направленности.

Рис. 6. Внешний вид матрицы Батлера для формирования луча СВЧ

Матрица Батлера

84 б) Рис. 5. Измеренные и смоделированные параметры S11, а также диаграмма направленности в дальней зоне

печатный диполь должен располагаться перпендикулярно оси массива, т. е. привычное расположение элементов приходится изменить (см. рис. 2а). Для расположения элементов следует воспользоваться функцией оптимизации в электромагнитном симуляторе. Как показано на рисунке 3, структура делит входную энергию на две равных части,

www.elcomdesign.ru

между которыми фазовый сдвиг составляет 180° на рабочей частоте. По сравнению с классическим симметрирующим устройством, эта структура практически нечувствительна к наличию искусственного магнитного проводника. На р ис у нке 4 пок аз аны р аз м е ры антенны с симметрирующим

Матрица Батлера, представляющая собой схему формирования луча, часто используется в направленных антеннах. На рисунке 6 показан пример матрицы Батлера, образованной с помощью гибридных объединителей линий, разветвителей и фазовращателей. В таблице 2 приведены результаты измерения распределения мощности и соотношение фаз на каждом входе массива. За счет рассеивания в стеклотекстолитовой подложке потери больше идеальных. В то же время потери одинаковы во всех цепях, и соотношения фаз близки к идеальным. В поперечном направлении повторяется один и тот же антенный элемент. Измеренный уровень обратных потерь массива не превышает 10 дБ в требуемом частотном диапазоне (см. рис. 7).

а)

в) б) Рис. 7. а) массив диполей с искусственным магнитным проводником; б) внешний вид массива; в) измеренный коэффициент обратных потерь Измерения

На рисунке 8 показан внешний вид интегрального антенного массива, приведена смоделированная и измеренная диаграмма направленности в дальней зоне в нормальных условиях. Видно близкое соответствие числовых значений и формы диаграммы направленности. Разница обусловлена потерями и неровностями подложки. На рисунке 9а показана послойная структура антенны. Слой металлизации расположен в непосредственной бли-

Таблица 2. Результаты измерения матрица Батлера Соотношение Порт 1 Порт 2 Порт 3 Порт 4

Величина, дБ

Порт 5

Порт 6

Порт 7

Порт 8

–8,39

–9,32

–8,15

–9,47

Фаза, °

42,6

104

145

–166

Величина, дБ

–8,19

–8,29

–9,33

–8,9

Фаза, °

–32

–170

40,8

–73,1

Величина, дБ

–8,75

–9,15

–8,32

–8,29

Фаза, °

–74,7

40,7

–166

–30,7

Величина, дБ

–9,02

–8,12

–9,88

–8,37

Фаза, °

–163

150

111

43,5

СВЧ

б)

а)

в) Рис. 8. а) внешний вид интегрального антенного массива; б) смоделированная и в) измеренная диаграммы направленности в дальней зоне

электронные компоненты №06 2020

а)

б)

в) Рис. 9. а) конфигурация для определения чувствительности массива к расположенному поблизости металлическому слою; б) четыре выходных луча; в) массив без искусственного магнитного проводника

зости от дипольной антенны и искусственного магнитного проводника. На рисунке 9б изображены четыре разных луча, полученных при нормальных условиях. Они похожи на приведенные на рисунке 8. Результаты измерений работы дипольной антенны без искусственного магнитного проводника показаны на рисунке 9в. Видно резкое ухудшение диаграммы направленности, сопровождающееся рассогласованием импедансов (|S11| > –4 дБ).

Выводы

Мы рассмотрели новый плоский антенный элемент на основе диполя с искусственным магнитным проводником и симметрирующим устройством. Особенностью предложенного решения является возможность работы в жестких граничных условиях. Четыре таких элемента соединены в матрицу Батлера, обеспечивающую четыре направленных луча, характеристики которых не зависят от наличия металлического слоя вблизи них.

Новости технологий

СВЧ

| Altium поднимает на новый уровень проектирование и изготовление печатных плат |

Компания Altium Limited выпустила Altium 365 – первую в мире облачную платформу для проектирования и изготовления печатных плат. Эта платформа полностью изменит электронную промышленность, позволив организовать недостижимую ранее совместную работу между разработчиками, производителями печатных плат, а также поставщиками компонентов. Altium 365 эффективно работает с Altium Designer – отраслевым стандартом в области проектирования печатных плат, обеспечивая средства совместного проектирования и производства печатных плат. С помощью платформы разработчики смогут значительно быстрее принять верное решение, а также сократить количество циклов повторных работ и сроки вывода изделий на рынок. Использование Altium 365 позволяет пользователю по своему выбору объединить заинтересованных лиц и участников (даже тех, у кого нет Altium Designer), сохранив при этом контроль над проектами и интеллектуальной собственностью. Эта облачная платформа предоставляет совершенно новый способ публикации, визуализации и контроля печатной платы для всех заинтересованных сторон, начиная с руководителей проектов и заканчивая производителями печатных плат. В то же время другие разработчики могут подключиться к проекту той же печатной платы с Altium Designer для внесения изменений. Команды получают возможность осуществлять проекты, создавать библиотеки и собирать участников в одном месте, а также обмениваться ссылками на проекты для совместной работы в режиме реального времени. Проекты доступны в любое время, на любом устройстве, в любом месте. Благодаря использованию специализированных САПРрешений проектные данные можно хранить так, чтобы сделать проекты, файлы и историю версий доступными и легкими для навигации в браузерах. Altium 365 позволяет участвовать в совместном проектировании электронной и механической частей изделия благодаря интеграции с PTC Creo, Dassault Systèmes SolidWorks и Autodesk Inventor. Теперь проектировщики, работающие в системах ECAD и MCAD, получают возможность взаимодействовать эффективнее, чем когда-либо прежде. www.altium.com

www.elcomdesign.ru

Новинки месяца. Редакционный обзор Предлагаем читателям обзор новинок за прошедший месяц с момента выхода в свет журнала «Электронные компоненты» № 5, 2020 г. В новый обзор вошли наиболее интересные, на наш взгляд, изделия. Рассматривается продукция только тех компаний, которые широко представлены на российском рынке. При перечислении параметров указываются их типовые значения.

Аналоговые компоненты

Analog Devices. Усилитель ADA4254 с нулевым дрейфом, встроенным ЭМПфильтром и программируемым коэффициентом усиления. Структурная схема

Рис. 2. Коэффициент шума усилителя QPL8830

–– дрейф смещения: ±0,08 мкВ/°C; –– диапазон изменения коэффициента усиления (КУ): (1/16)… 128; –– дрейф КУ: не более ±1 ppm/°C; –– калибровка КУ прошита в ПЗУ; –– КОСС: не менее 116 дБ; –– шум в полосе 0,1–10 Гц при К У 1 (пик–пик): 5,75 мкВ; –– шум в полосе 0,01–10 Гц при КУ 1 (пик–пик): 6,8 мкВ; –– шумовой ток в полосе 0,1–10 Гц (пик–пик): 3,1 пА; –– шумовой ток в полосе 0,01–10 Гц (пик–пик): 4 пА; –– полоса пропускания по уровню –3 дБ; 2,3 МГц; –– скорость нарастания: 1,9 В/мкс; –– диапазон рабочей температ уры перехода: –40…125°C; –– корпус: HTSOP-J8. Q or vo. 2‑ кана льный уси лите ль QPL8830 производится по технологии GaAs pHEMT. Коэффициент шума усилителя в функции частоты приведен на рисунке 2. Основные параметры QPL8830: –– напряжение питания: 5 В; –– полоса частот: 5–1218 МГц; –– КУ в полосе 5–1218 МГц: 21 дБ; –– в о з в р а т н ы е п о т е р и в п о л о с е 5–1218 МГц: 18 дБ; –– обратные потери на выходе: 18 дБ; –– коэффициент шума: 3,2 дБ; –– диапазон рабочей температ уры перехода: –40…85°C; –– корпус: SOIC‑8. Renesas. Тракт формирования сигналов датчика ZSSС3240. Структурная схема тракта приведена на рисунке 3. Основные параметры ZSSС3240: –– диапазон напряжения питания: 2,7– 5,5 В; –– ток потребления: 2,3 мА; –– ток потребления в режиме ожидания: 1,5 мкА; –– ослабление пульсаций питания: 50 дБ; –– регулируемый КУ: 1,32–540; –– сопротивление датчика: 0,5–60 кОм; –– диапазон рабочей температ уры перехода: –40…125°C; –– корпус: QFN.

электронные компоненты №06 2020

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

Рис. 1. Структурная схема усилителя ADA4254

усилителя приведена на рисунке 1. Основные параметры ADA4254: –– диапазон напряжения питания: ±5…±28 В; –– смещение: ±14 мкВ;

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

Рис. 3. Структурная схема тракта ZSSС3240

Рис. 4. Структурная схема передатчика ADL6317 Датаком

Analog Devices. РЧ-передатчик A D L6317 с р е г ул и руе м ы м К У д л я 2G/3G/4G. Структурная схема передатчика показана на рисунке 4. Основные параметры ADL6317: –– напряжение питания: 5 В; –– полоса выходного сигнала: 1500– 3000 МГц; –– управляемый напряжением аттенюатор: 20,5 дБ; –– 50‑Ом дифференциальный вход; –– 50‑Ом несимметричный выход; –– выходная мощность ОР 1 дБ (макс.): 33,6–34 дБ в зависимости от частоты; –– диапазон рабочей температуры: –40…125°C; –– корпус: LGA (10,5×5,5 мм). Дискретные силовые компоненты

ON Semiconductor. 3‑фазный силовой модуль NXH50C120L2C2ESG. Его схема приведена на рисунке 5. Основные параметры NXH50C120L2C2ESG:

www.elcomdesign.ru

Рис. 5. Схема модуля NXH50C120L2C2ESG

–– нормируемое напряжение инвертора: 1600 В; –– нормируемое напряжение выпрямителя: 1200 В; –– нормируемый ток выпрямителя и инвертора: 50 А; –– напряжение насыщения коллектор–эмиттер: 1,8 В; –– время задержки включения: 144 нс;

–– –– –– ––

время нарастания: 104 нс; время задержки выключения: 380 нс; время спада: 52 нс; общий заряд затвора: 558 нКл;• энергия потерь включения: 5870 мкДж; –– э н е р г и я п о т е р ь в ы к л ю ч е н и я : 1700 мкДж; –– температура перехода: –40…125°C; –– размер: 73×40×8 мм.

Рис. 6. Схема включения преобразователя LT8652C Источники, модули питания и преобразователи

Рис. 7. Зависимость выходной мощности преобразователя PSK-S60B от температуры

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

Analog Devices. 2‑канальный DC/DC-преобразователь LT8652C.  Схема включения преобразователя показана на рисунке 6. Основные параметры LT8652C: –– диапазон входного напряжения: 3–18 В; –– опорное напряжение встроенного ИОН: 600 мВ; –– выходной ток (макс.): 8,5 А на канал; –– рабочая частота 300–2000 кГц; –– время открытия верхнего ключа (мин.): 20 нс; –– ток верхнего ключа (макс.): 26,5 А;

Рис. 8. Структурная схема АСТ85610

электронные компоненты №06 2020

–– ток нижнего ключа (макс.): 16,5 А; –– пульсации выходного напряжения (пик-пик): 10 мВ; –– КПД: до 93,6%; –– диапазон рабочей температуры: –40…150°C; –– корпус: LQFN‑36 (4×7 мм).

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

CUI INC. Семейство АC/DC-преобра зователей PSK-S60B. На рисунке 7 показана зависимость выходной мощности преобразователя от температуры окружающей среды. Основные параметры PSK-S60B: –– диапазон входного напряжения: 90–264 В АС; –– диапазон выходного напряжения: 5–48 В в зависимости от модификации; –– выходная мощность: 40 или 60 Вт; –– пульсации выходного напряжения: 50–480 мВ; –– рабочая частота: 65 кГц; –– линейная регулировочная характеристика: ±1%; –– нагрузочная регулировочная характеристика: ±1%; –– КПД: 86–90%; –– электрическая прочность изоляции: 3 кВ; –– диапазон рабочей температуры: –30…70°C; –– размер: 54,5×54,25×35,8 мм.

Qorvo. Микросхема управления питанием АСТ85610. В состав микросхемы входят четыре понижающих DC/DC-преобразователя, повышающий DC/DC-преобразователь и LDO-стаби лизатор. Поддерживается энергонакопительный конденсатор. Структурная схема АСТ85610 приведена на рисунке 8. Основные параметры микросхемы:

Рис. 9. DC/DC-преобразователь TSR 1E

Рис. 10. Схема трансформатора SM453229-381N7Y

–– диапазон входного напряжения: 2,7–14 В; –– напряжение встроенного ИОН: 0,6 В; –– допустимый всплеск входного напряжения: до 20 В; –– ограничение по току: до 10 А, программируется; –– выходное напряжение повышающего преобразователя: 5,5–31 В, программируется; –– рабочая частота: до 2,25 МГц; –– диапазон рабочей температ уры

перехода: –40…150°C; –– корпус: FCQFN. Traco Power. DC/DC-преобразователь TSR 1E (см. рис. 9). В качестве входного фильтра используется встроенный конденсатор. Основные параметры TSR 1E: –– диапазон входного напряжения: 6–36 В; –– выходное напряжение: 3,3 или 5 В; –– погрешность поддержания выходного напряжения: ±4%;

Рис. 11. Зависимость импеданса дросселя SRF2012A-801Y от частоты

Таблица. Основные параметры дросселей Coilcraft семейства XGL3530 DCR, мОм

IСКЗ, А

Ток насыщения, А

Наименование

Индуктивность, мкГн

Тип.

Макс.

10%

20%

30%

20°C

40°C

XGL3530-101ME_

0,10

2,1

2,5

320

7,6

12,3

16,5

20,0

27,5

XGL3530-201ME_

0,20

3,0

3,5

220

5,6

8,8

11,8

16,6

22,4

XGL3530-331ME_

0,33

4,0

4,6

160

4,5

6,8

9,1

13,4

18,5

XGL3530-451ME_

0,45

4,9

5,6

140

3,8

5,9

7,8

11,9

15,9

XGL3530-601ME_

0,60

6,0

6,9

110

3,6

5,6

7,4

10,8

14,7

XGL3530-701ME_

0,70

6,9

8,0

100

3,5

5,5

7,3

9,5

12,9

XGL3530-821ME_

0,82

8,0

9,2

3,3

5,0

6,7

9,2

12,5

XGL3530-102ME_

1,0

9,1

10,5

3,0

4,7

6,2

8,6

11,7

XGL3530-122ME_

1,2

11,1

12,8

2,7

4,2

5,6

7,8

10,4

XGL3530-152ME_

1,5

13,3

15,3

2,6

3,9

5,2

6,5

8,8

XGL3530-222ME_

2,2

20,0

23,0

1,9

3,0

4,0

5,2

7,2

XGL3530-332ME_

3,3

32,5

37,4

1,6

2,5

3,3

4,0

5,4

XGL3530-472ME_

4,7

44,5

51,2

1,3

2,0

2,7

3,3

4,5

XGL3530-562ME_

5,6

54,0

62,1

1,2

1,8

2,4

3,0

4,05

XGL3530-682ME_

6,8

68,0

78,2

1,1

1,6

2,1

2,7

3,65

www.elcomdesign.ru

SRF, МГц

–– рабочая частота: 520 кГц; –– линейная регулировочная характеристика: 0,75%; –– нагрузочная регулировочная характеристика: 1,5% –– выходной ток (макс.): 1 А; –– КПД: до 92%; –– гарантия: 3 года; –– диапазон рабочей температ уры перехода: –40…61°C; –– размер: 10,2×11,6×7,5 мм. Пассивные компоненты

Bourns. Трансформатор SM453229– 381N7Y для сетей IEEE 802.3 Ethernet. Схема трансформатора приведена на рисунке 10. Основные параметры SM453229–381N7Y: –– главная индуктивность без смещения: 380 мкГн; –– главная индуктивность со смещением 8 мА постоянного тока: 350 мкГн; –– соотношение витков: 1:1; –– вносимые потери в полосе 100 МГц: –1,5 дБ; –– электрическая прочность изоляции: 3 кВ; –– диапазон рабочей температуры: –40…85°C; –– размер: 4,7×3,22×2,9 мм. Кроме того, компания выпустила синфазный дроссель SRF2012A‑801Y для использования совместно с описанным выше трансформатором. На рисунке 11

150 GRZ 105°C

выше напряжение

152 CME 105°C

выше температура

192 CTX

Рис. 12. Фрагмент производственной линейки компании Vishay

приведена зависимость импеданса дросселя от частоты. Основные параметры SRF2012A‑801Y: –– и м п е д а н с н а ч а с т о т е 10 0 М Гц : 800 Ом; –– DCR: 0,88 Ом; –– нормируемый среднеквадратичный ток: 300 мА; –– напряжение (макс.): 100 В; –– пиковое напряжение (макс.): 250 В; –– диапазон рабочей температуры: –55…125°C; –– размер: 1,2×1,2×2,0 мм. Coilcraft. Серия силовых экранированных дросселей XGL3530. Диапазон рабочей температуры: –40…125°. Остальные параметры указаны в таблице.

Vishay. Алюминиевые электролитические конденсаторы серии 192 СТХ. Их место в производственной линейке компании показано на рисунке 12. Основные особенности: –– емкость (ном.): 2,2–33 мкФ; –– отклонение от номинальной емкости: ±20%; –– нормируемое напряжение: 400 В; –– нормируемый ток пульсации при частоте 100 Гц: 30–160 мА; –– тангенс угла потерь при пульсации 100 Гц: 0,2; –– ESL: 16–18 нГн; –– тепловая стойкость: 2500 ч при 125°C; –– диапазон рабочей температ уры перехода: –40…125°C; –– размер: 10×10×10…18×18×21 мм.

Новости технологий

www.russianelectronics.ru

События рынка

| Alibaba вложит 1,5 млрд долл. в систему искусственного интеллекта для умных колонок | Компания Alibaba известна, в первую очередь, в области электронной торговли, но в последнее время активно занимается разработкой своих технологий и пытается выйти на другие рынки. Инвестиции в размере 10 млрд юаней (1,41 млрд долл.) пойдут на разработку технологий искусственного интеллекта и интернета вещей, ключевым компонентов которых станет умная колонка Tmall Genie. Этот шаг является частью стратегии компании по расширению сферы деятельности. Первая модель умной колонки Tmall Genie вышла в 2017 г. Колонка способна распознавать голосовые команды и выполнять соответствующие действия – проигрывать музыку, сообщать прогноз погоды и т. д. С 2017 г. Alibaba выпустила несколько моделей колонок. Некоторые из них даже оснащены экранами, в т. ч. самая новая модель, о выпуске которой было объявлено в конце мая текущего года. Размер экрана у нее составляет 10 дюймов, а компания выпускает ее в продажу по цене 77,28 долл. В 2019 г. Alibaba реализовала на потребительском рынке 16,8 млн умных колонок. Ее ближайший конкурент – компания Baidu – продала 17,3 млн колонок. www.russianelectronics.ru

электронные компоненты №06 2020

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

| Xilinx представила революционную 20-нм ПЛИС XQRKU060 для космоса | Компания Xilinx заявила о выпуске первой в отрасли 20-нм программируемой вентильной матрицы (ПЛИС), полностью устойчивой к космическому излучению. Микросхема Kintex UltraScale XQRKU060 с очень высокой производительностью предназначена для использования в спутниках и космических кораблях. Из заявления Xilinx следует, что возможность «неограниченного» переконфигурирования в процессе эксплуатации и более чем 10-кратное повышение скорости цифровой обработки сигналов по сравнению с аналогичными ПЛИС предыдущего поколения делают новинку идеальной для применения в космосе. Как утверждается, XQRKU060 впервые выводит в космос возможности высокопроизводительного машинного обучения. Широкий портфель соответствующих инструментов разработки, поддерживающих стандартные отраслевые инфраструктуры, в т.ч. TensorFlow и PyTorch, позволяет ускорить вывод нейронных сетей для оперативной обработки информации прямо на борту космического аппарата. По производительности в этой области XQRKU060 превосходит решения предыдущего поколения в 25 раз.

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| НОВОСТИ КОМПАНИИ «ГАММА» |

НОВОС ТИ ТЕХНОЛОГИЙ

Cистема HelEOS и модемы MaxLinear MxL85110 для организации опорной сети 5G от компании Giax

MaxLinear, ведущий поставщик радиочастотных, аналоговых и смешанных микросхем для промышленного и потребительского сегментов рынка, объявил о том, что компания GiaX начала работу с сетевой системой HelEOS, которая обеспечивает пропускную способность на уровне 10 Гбит/с по коаксиальному кабелю при помощи гигабитного модема MxL85110 (SoC). Система HelEOS предоставляет комплексное решение Virtual Fiber, которое обеспечивает высокую пропускную способность и низкую задержку благодаря использованию модемов MxL85110, удовлетворяя растущие требования к кабельной сети, где не применяется дополнительное оптоволокно. Система HelEOS позволит кабельным операторам использовать уже существующую коаксиальную инфраструктуру для передачи трафика, генерируемого мобильными станциями 4G/5G. HelEOS обеспечивает гораздо более быстрое развертывание сети и экономит десятки или, возможно, сотни миллионов долларов капиталовложений. В систему HelEOS входит чипсет MaxLinear MxL85110, который обеспечивает пропускную способность Ethernet до 20 Гбит/с (10 Гбит/с в нисходящем канале и 10 Гбит/с – в восходящем). У MxL85110 – очень низкая задержка 5 мс на узел и адаптивная модуляция кода в диапазоне от BPSK до 1024 QAM. MxL85110 работает в полосе пропускания 25 МГц…2 ГГц с независимой асимметричной конфигурацией передачи и приема. HelEOS также оснащена дополнительными функциями, например Ethernet операторского класса, синхронизацией IEEE 1588v2 и интегрированным каналом управления. Система HelEOS 10G Ethernet представляет собой связку модема и коммутатора, которая организует соединения Ethernet типа «точка–точка» по существующим коаксиальным кабелям, организуя гибридную HFC-сеть. Эта система позволяет передавать данные на скоростях близких по значению к оптоволокну, а также предоставляет функции управления MEF. Для передачи данных по Ethernet используется незадействованный спектр высоких частот. В зависимости от типа кабеля и частот передача осуществляется на расстоянии до нескольких сотен метров. Особенности HelEOS: • пропускная способность 10 Гбит/с; • широкий диапазон частот: 50 МГц…2 ГГц; • модуляция кода: от BPSK до 1024 QAM; • XPIC; • настраиваемый код LDPC или коды каналов RS; • высокая доступность связи с ACMB; • расширенные возможности коррекции искажений и низкий фазовый шум; • аналоговый процессор, ЦАП и АЦП для подключения к RF/IF; • интерфейсы: – XAUI/1 Гбит/с; – SGMII/2.5 Гбит/с; – GPI; • фиксированный режим и режим с низкой задержкой.

MaxLinear приобретает подразделение корпорации Intel

Компания MaxLinear объявила о заключении соглашения с корпорацией Intel, в соответствии с которым MaxLinear приобретет активы подразделения Home Gateway Platform компании Intel. Стоимость сделки оценивается в 150 млн долл. Подразделение Intel Home Gateway Platform занимается разработкой точек доступа Wi-Fi и продуктов Ethernet и SoC Home Gateway для розничных сетей. Приобретение позволит MaxLinear дополнить имеющийся ряд решений и создать масштабируемую платформу для обеспечения клиентов на целевых направлениях полным перечнем продуктов для организации сети, а также создаст новые возможности для получения прибыли в смежных сегментах рынка. Планируемое увеличение прибыли от приобретения этого подразделения составит примерно 60–70 млн долл. за квартал. Ожидается, что сделка завершится в III кв. 2020 г. при соблюдении всех необходимых условий, в т. ч. при одобрении регулирующих органов.

Поддержка языка VHDL в программном обеспечении для разработки ПЛИС GOWIN Synthesis

GOWIN Semiconductor Corp. объявила о начале поддержки VHDL в своем программном обеспечении для разработки ПЛИС GOWIN Synthesis. Таким образом, разработчики получили возможность использовать VHDL, Verilog, SystemVerilog или смешанные языки для разработки RTL-дизайнов. Язык VHDL был первоначально разработан в 1982 г. по заказу Министерства обороны США для документирования поведения ASIC, а затем был принят стандарт IEEE 1076–1987 в качестве языка описания аппаратуры. В настоящее время VHDL

www.elcomdesign.ru

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ широко используется при разработке ПЛИС и ASIC. Благодаря интеграции поддержки VHDL, компания GOWIN Synthesis теперь поддерживает полный перечень языков RTL для разработки ПЛИС. Версия GOWIN 1.9.5 уже имеет поддержку VHDL и смешанных языков в GOWIN Synthesis и SynlifyPro. Программная среда GOWIN EDA будет совершенствоваться в направлении поддержки новых устройств, а также улучшения качества результатов и удобства интерфейса для разработчиков.

AFBR-FS50B00 – новый приемопередатчик с оптической связью от Broadcom

Broadcom AFBR-FS50B00 – новый приемопередатчик, позволяющий организовать беспроводную оптическую связь в приложениях. Полнодуплексная связь в сочетании с небольшим форм-фактором обеспечивает компактную конструкцию приемопередатчика. AFBR-FS50B00 сохраняет полную работоспособность при повороте на 0–360° вокруг своей оси, что значительно уменьшает сложность юстировки на системном уровне и позволяет использовать его в системах с вращением. AFBR-FS50B00 предназначен для работы в широком температурном диапазоне с потенциальной скоростью передачи данных до 5 Гбит/с на расстоянии 20–100 мм. Приемопередатчик AFBR-FS50B00 относится к классу Laser Class 1, соответствует требованиям RoHS и устанавливается на печатную плату путем поверхностного монтажа (SMT). Особенности AFBR-FS50B00: • широкий диапазон скорости передачи данных: 25 Мбит/с…5 Гбит/с; • расстояние передачи: 20–100 мм; • полнодуплексная связь; • сохранение работоспособности при повороте 0–360° вокруг своей оси; • компактные размеры; • питание: 3,3 В; • поверхностный монтаж; • соответствует RoHS; • Laser Class 1. Примеры использования: • системы открытия окон; • док-станции; • вращающиеся турникеты; • межплатные решения.

Комплект разработчика Apollo S10 SoM от Terasic Technologies

Дополнительную информацию и опытные образцы можно получить в ООО «Гамма Плюс»

Выборг: +7 (81378) 546-53; Москва: +7 (495) 788-1292; Санкт-Петербург: +7 (812) 321-6160; Екатеринбург: +7 (343) 286-7512; Ульяновск: +7 (8422) 256-939; info@icgamma.ru, www.icgamma.ru

электронные компоненты №06 2020

НОВОС ТИ ТЕХНОЛОГИЙ

Комплект разработчика Apollo S10 SoM, предназначенный для модульных и масштабируемых высокопроизводительных решений для прототипирования ПЛИС и HPC-интерфейсов сочетает в себе непревзойденную производительность и энергоэффективность в малом форм-факторе. Apollo S10 SoM обеспечивает в 90 раз больше производительность по сравнению с ЦП для критических нагрузок в таких процессах как ускоренное моделирование, молекулярная динамика, машинное обучение и т. д. Apollo S10 SoM использует новейшую СнК семейства Stratix 10 от Intel с 2800 тыс. элементов, которая обеспечивает высокую скорость и производительность, позволяя уменьшить уровень энергопотребления на 70%. В состав Apollo S10 SoM входит ряд высокопроизводительных аппаратных интерфейсов, например DDR4 SDRAM с высокой пропускной способностью и емкостью до 64 Гбайт, а также разъемы USBBlaster II и FMC/FMC+ для увеличения количества входов и выходов. Комплект Apollo S10 SoM обеспечивает прирост производительности более чем в два раза по сравнению с предыдущими поколениями. Комплект Apollo S10 SoM можно расширить с помощью дополнительной платы Apollo Carrier. В состав платы, помимо прочего, входят два модуля QSFP+ на 40 Гбит/с и модуль Thunderbolt 3, благодаря чему можно оценить функционал ввода–вывода, и построить системы на его основе.

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ НА РОССИЙСКОМ РЫНКЕ Д И С К Р Е Т Н Ы Е С И Л О В Ы Е КО М П О Н Е Н Т Ы

Новые компоненты

АО «Протон-Электротекс» начинает поставки IGBT-модулей с драйверами собственной разработки

Вся линейка IGBT-модулей и низкочастотных тиристоров производства АО «Протон-Электротекс» может комплектоваться совместимыми драйверами. Драйверы IGBT производства АО «Протон-Электротекс» предназначены для использования совместно с IGBTмодулями для применения в преобразователях солнечной и ветроэнергетики, источниках бесперебойного питания, электротранспорте, преобразователях частоты. Данный тип продукции обладает оптической изоляцией цепей управления, защитой от пониженного напряжения питания и защитой транзисторов от КЗ с безопасным выключением. Драйверы IGBT имеют независимое управление и режим «полумост». При установке не требуется специальная переходная плата. Установка осуществляется с помощью пайки к выводам управления или проводным подключением. Тиристорный драйвер производства АО «Протон-Электротекс» предназначен для управления силовыми тиристорами с номинальными токами 160–5000 А и классом по напряжению до 1800 В. Драйвер имеет компактный размер и защиту от коротких входных импульсов. Установка осуществляется на печатную плату путем пайки в отверстие или в виде монтажа в разъем платы. Ознакомиться со списком доступных драйверов, информационными листами и рекомендациями по применению можно в разделе «Драйверы» на официальном сайте компании. «Протон-Электротекс», АО www.proton-electrotex.com Дополнительная информация: см. «Протон-Электротекс», АО

работающее с аналоговыми и цифровыми каналами. В идеале такое оборудование должно использовать программно-конфигурируемые протоколы и стандарты, а также располагать встроенными инструментами поддержки при испытаниях с возможностью совместной дистанционной работы инженеров. В новом осциллографе смешанных сигналов серии Infiniium MXR используется современная технология обработки сигналов под управлением СБИС собственной разработки Keysight, благодаря чему реализуется функциональность восьми мощных приборов на основе одного: • анализатор спектра в реальном масштабе времени (RTSA); • осциллограф; • цифровой вольтметр (DVM); • генератор сигналов специальной формы; • построитель кривых Боде; • счетчик событий; • анализатор протоколов; • логический анализатор. Keysight Technologies www.keysight.ru Дополнительная информация: см. Keysight Technologies И С ТОЧ Н И К И И М ОДУЛ И П И ТА Н И Я

Повышение быстродействия плат ускорителей в приложениях ИИ с помощью модулей ChiP-set от Vicor

И З М Е Р И Т Е Л Ь Н Ы Е П Р И БО Р Ы И С И С Т Е М Ы

Осциллографы смешанных сигналов серии Infiniium MXR от Keysight Technologies Компания Keysight Technologies заявила о начале продаж первого осциллографа с восемью аналоговыми каналами с полосой до 6 ГГц и 16 синхронными цифровыми каналами. Это решение позволит уменьшить длительность испытаний и сложность рабочих процессов, повысит эффективность, обеспечит точность и воспроизводимость многоканальных измерений на одном приборе. Это первые в мире осциллографы, сочетающие в себе функциональность восьми приборов и возможность синхронного использования восьми каналов. Для испытаний многих новых изделий требуется оборудование для измерения времени и частоты, одновременно

www.elcomdesign.ru

Компания Vicor анонсировала новый модуль ChiP-set для питания высокопроизводительных процессоров GPU, CPU и ASIC (XPU) непосредственно от напряжения 48 В. Драйвер MCD4609 и два модуля токовых умножителей MCM4609 обеспечивают питание непрерывным током до 650 А и пиковым током до 1200 А. Малая площадь и низкий профиль (45,7×8,6×3,2 мм) токовых умножителей позволяет установить

их рядом с процессором, чтобы сократить потери в схеме подачи питания и повысить эффективность системы электропитания. Серийно выпускаемые модули ChiP-set 4609, предназначенные для питания плат ускорителей (OCP Accelerator Module, OAM) GPU в приложениях искусственного интеллекта (ИИ), предлагаются новым заказчикам на демонстрационной плате Hydra II от Vicor. Модуль ChiP-set 4609 пополняет ассортимент устройств Power-on-Package, реализованных по технологии LPD (Lateral Power Delivery). В сравнении с ней новаторская технология VPD (Vertical Power Delivery) позволит в скором времени намного увеличить нагрузку по току. VPD-система подает ток от вертикального стека силовых преобразователей, который находится под процессором, через конденсаторную цепь, подключаемую к нему в соответствии с его схемой выводов. GCM (Geared Current Multiplier) – специализированная VPDмодификация токового умножителя, в которую входит «коробка передач» – слой конденсаторной цепи в вертикальном стеке. Благодаря тому, что GCM-умножители установлены непосредственно под процессором и потери в цепи подачи питания исключены, плотность тока возрастет до 2 А/мм2. LPD- и VPD-умножители тока Power-on-Package компании Vicor решают проблему «последнего дюйма», обеспечивая беспрецедентно высокую плотность тока и эффективно осуществляя питание современных процессоров в приложениях искусственного интеллекта с платами ускорителей, кластеров ИИ высокой плотности и высокоскоростных вычислительных сетей. Vicor Corporation www.vicorpower.com Дополнительная информация: Vicor Corporation

(OCP) Open Rack для задних объединительных плат распределенных 48‑В серверных архитектур и спецификацию LV148, которая предусматривает дополнительную 48‑В шину питания для автомобильной электроники. Эта спецификация создана для электромобилей, работающих исключительно на батареях, а также для гибридных автомобилей. Преобразование 48/12 В с регулируемым выходным напряжением предназначено для разработанных ранее 12‑В многофазных PoL-преобразователей. Заказчики, которым не требуется регулирование 12‑В шины питания, могут воспользоваться 750‑Вт преобразователем NBM2317 фирмы Vicor с входным напряжением 48 В и нерегулируемым выходным напряжением 12 В в корпусе SM–ChiP меньшего размера 23×17×7,4 мм, удельная мощность которого на 40% больше, а КПД выше – 97,5%. Vicor Corporation www.vicorpower.com Дополнительная информация Vicor Corporation М И К Р О КО Н Т Р ОЛ Л Е Р Ы

Новое семейство микроконтроллеров AVR DA Microchip Technology

Преобразователь DCM3717 от Vicor мощностью 750 Вт 48/12 В с регулируемым выходным напряжением и пиковым КПД равным 97%

электронные компоненты №06 2020

Новые компоненты

Компания Vicor анонсировала новый преобразователь DCM3717 с регулируемым выходным напряжением, который позволяет быстро и высокоэффективно преобразовать напряжение шины 48 В в 12 В для питания существующего оборудования центров обработки данных, автомобильной электроники и промышленных систем. Регулируемое выходное напряжение нового неизолированного преобразователя DCM3717, работающего с входным напряжением SELV в диапазоне 40–60 В, составляет 10,0–13,5 В. Номинальная мощность при продолжительной работе преобразователя равна 750 Вт, а пиковый КПД – 97,3%. Это устройство выполнено в корпусе SM–ChiP размерами 37×17×7,4 мм, предназначенном под поверхностный монтаж. Преобразователь DCM3717 поддерживает недавно появившуюся версию стандарта V2.2 Open Compute Project

Компания Microchip Technology анонсирует семейство микроконтроллеров AVR DA следующего поколения. Это первое семейство МК со встроенным контроллером PTC (Peripheral Touch Controller), обеспечивающее функциональную безопасность (Functional Safety Ready). Новые МК предназначены для приложений, которым требуется безопасность, более высокая надежность, точность и скорость реакции. К этим приложениям относится подключенная к интернету потребительская и автомобильная электроника, системы автоматизации зданий, датчиковые сети и системы промышленной автоматизации. Устройства Functional Safety Ready компании Microchip оснащены современными функциями безопасности. К этим устройствам прилагаются руководства по технике безопасности, отчеты по результатам проведения анализа видов, последствий и критичности отказов (FMEDA) и в некоторых случаях – диагностическое ПО, благодаря чему уменьшается время и стоимость сертификации конечных приложений. МК семейства AVR DA оснащены несколькими интегрированными функциями безопасности для надежной работы. К ним относятся сброс по включению питания, обнаружение провалов напряжения и мониторинг уровня напряжения. Контроль циклическим избыточным кодом (CRC) подтверждает действительность кода прикладной программы во флэш-памяти. Целостность кода позволяет избежать непреднамеренного и потенциально опасного поведения системы. Рабочая частота ЦП микроконтроллеров нового семейства AVR DA составляет 24 МГц во всем диапазоне напряжения питания. Объем высокоплотной флэш-памяти: до 128 Кбайт; объем SRAM: 16‑Кбайт; EEPROM: 512 байт.

Новые компоненты

В состав этих МК также входят 12‑бит дифференциальный АЦП, 10‑бит ЦАП, аналоговые компараторы и детекторы пересечения нуля. С помощью PTC-контроллера реализуется емкостной интерфейс с поддержкой кнопок, ползунков, колес прокрутки, сенсорных панелей, небольших сенсорных экранов и функции управления жестами, которые широко используются в потребительской, промышленной и автомобильной электронике. Семейство AVR DA поддерживает до 46 каналов для измерения полной собственной емкости и 529 каналов для измерения взаимной емкости. Микроконтроллеры этого семейства оснащены PTC-контроллером самого последнего поколения с функцией Driven Shield+. Кроме того, новые МК имеют более высок ую помехо устойчивость, водостойкость, сенсорную чувствительность и меньшее время отклика. Конфигурируемые периферийные заказные логические модули самостоятельно обеспечивают запуск логических функций, исключая необходимость в использовании внешних компонентов. В результате сокращается занимаемое на плате место и список компонентов. Благодаря новым усовершенствованным аналоговым модулям, к которым относятся 12‑бит дифференциальные АЦП, микроконтроллеры AVR DA могут измерять сигналы малой амплитуды в зашумленных средах, что позволяет успешно применять их в датчиковых узлах в жестких условиях эксплуатации. Семейство МК AVR DA компании Microchip поддерживается программным и аппаратным обеспечением. Программную поддержку осуществляют MPLAB X, MPLAB Xpress, Atmel Studio, средства конфигурации кода, в т. ч. MCC и START, а также компиляторы, включая GCC, XC8 и IAR Embedded Workbench. В рамках программы Functional Safety Ready компании Microchip предлагается сертифицированная версия компилятора XC8 с функциональной безопасностью. К средствам аппаратной поддержки относятся отладчики/программаторы MPLAB PICkit 4, MPLAB SNAP, Atmel ICE и оценочный комплект AVR128DA48 Curiosity Nano. Microchip Technology www.microchip.com Дополнительная информация: см. Гамма Инжиниринг, ООО

тями с малым энергопотреблением, исключая необходимость в изучении средств проектирования ПЛИС. Универсальный комплект инструментов работает с моделями в форматах TensorFlow и ONNX (open neural network exchange), обеспечивая самую широкую совместимость фреймворков. ONNX поддерживает многие фреймворки, в т. ч. Caffe2, MXNet, PyTorch и MATLAB. В отличие от альтернативных решений с использованием ПЛИС, комплект VectorBlox Accelerator SDK от Microchip поддерживается в операционных системах Linux и Windows. В его состав входит симулятор, который описывает данные в виде единиц и нулей (bit accurate) и позволяет проверять точность работы оборудования в программной среде. Нейросетевые IP-ядра в составе этого комплекта поддерживают загрузку разных сетевых моделей при выполнении программы. Суммарное потребление ПЛИС PolarFire, формирующих логические выводы в краевых приложениях, на 50% ниже, чем у конкурирующих устройств; при этом производительность математических блоков, которые выполняют до 1,5 тераопераций в секунду (TOPS), на 25% выше. ПЛИС расширяют возможности кастомизации и видоизменения приложений путем их обновления и объединения множества функций в одном кристалле. Нейросетевые IP-решения на основе ПЛИС PolarFire отличаются размерами в зависимости от требуемой эффективности, потребляемой мощности и габаритов корпуса. Например, заказчики имеют возможность внедрять собственные решения в корпусах размером 11×11 мм. Инициатива Smart Embedded Vision компании Microchip стартовала в июле прошлого года. Цель этого проекта состоит в обеспечении разработчиков аппаратного и программного обеспечения инструментами, IP-ядрами и платами, отвечающими нуждам периферийных приложений с тепловыми ограничениями и малым форм-фактором. Microchip Technology www.microchip.com Дополнительная информация: см. Гамма Инжиниринг, ООО

Комплект разработки программ и нейросетевые IP-ядра Microchip

Keysight Technologies

115054, Москва, Космодамианская наб., 52, стр. 3 тел.: +7 (495) 797–39–28 tmo_russia@keysight.com www.keysight.ru

Vicor Corporation

Alex Price, менеджер по маркетингу, EMEA, Vicor Europe +44 (0) 1276 678222 APrice@vicr.com www.vicorpower.com

«Гамма Инжиниринг», ООО Проект Smart Embedded Vision компании Microchip Technology позволяет реализовать энергоэффективные функции формирования логических выводов в краевых приложениях, упрощая реализацию программных алгоритмов в ПЛИС PolarFire. Комплект VectorBlox Accelerator Software Development Kit (SDK) от Microchip, существенно дополняющий портфель решений в этом сегменте рынка, позволяет воспользоваться преимуществами ПЛИС PolarFire компании Microchip для создания приложений с гибкими оверлейными нейросе-

www.elcomdesign.ru

197101, Санкт-Петербург, Певческий пер., д. 12 тел.: +7 (812) 493–51–15 sale@gamma.spb.ru www.gamma.spb.ru

«Протон-Электротекс», АО

302040, Россия, Орел, ул. Лескова д. 19, пом. 27, оф. 14 d.zhiliackova@proton-electrotex.com www.proton-electrotex.com тел: +7 (4862) 44–04–56