содержание
№11/2009 8 Нет КТЭО в своем Отечестве…
ЭЛЕКТРОПРИВОД 13 Станислав Флоренцев, Дмитрий Изосимов Тяговый электропривод в гибридных транспортных средствах. Часть 1. Идеология проектирования КТЭО 19 Кедар Годбоул Управление ориентацией поля в электроприводах 23 Виктор Александров КПД электродвигателя и коррекция коэффициента мощности 28 Виктор Ежов Применение FPGA в промышленных системах управления электроприводом
32 Ирина Ромадина Семейство драйверов шаговых двигателей AMIS30xxx от ON Semiconductor
ДИСПЛЕИ 38 Александр Самарин Перспективные дисплейные технологии 46 Ольга Костина, Виктор Белецкий Рекомендации при выборе дисплеев для мобильной аппаратуры
СЕТИ и ИНТЕРФЕЙСЫ 50 Виктор Охрименко PLC-технологии. Часть 2 54 Кристофер Гобок Усовершенствованный стандарт электропитания через Ethernet – PoE+
журнал для разработчиков
РЫНОК
Руководитель направления «Разработка электроники» и главный редактор Леонид Чанов; ответственный секретарь Марина Грачёва; редакторы: Елизавета Воронина; Виктор Ежов; Екатерина Самкова; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; редакционная коллегия: Валерий Григорьев; Иван Покровский; Борис Рудяк; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; реклама: Антон Денисов; Ольга Дорофеева; Елена Живова; распространение и подписка: Марина Панова, Василий Рябишников; вёрстка, дизайн: Александр Житник; Михаил Павлюк; директор издательства: Михаил Симаков Адрес издательства: Москва,115114, ул. Дербеневская, д. 1, п/я 35; Санкт-Петербург, Большой проспект В.О., д. 18, лит. А; тел.: (495) 741-7701; факс: (495) 741-7702; тел./факс: (812) 336-53-85; эл. почта: elecom@ecomp.ru, www.elcp.ru ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА: Мир электроники (Самара): 443080, г. Самара, ул. Революционная, 70, литер 1; тел./факс: (846) 267-3139, 267-3140; е-mail: info@eworld.ru, www.eworld.ru. Радиоэлектроника: 620107, г. Екатеринбург, ул. Гражданская, д. 2, тел./факс: (343) 370-33-84, 370-21-69, 370-19-99; е-mail: info@radioel.ru, www.radioel.ru. ЭЛКОМ (Ижевск): г. Ижевск, ул. Ленина, 38, офис 16, тел./факс: (3412) 78-27-52, е-mail: office@elcom.udmlink.ru, www.elcompany.ru. ЭЛКОТЕЛ (Новосибирск): г. Новосибирск, м/р-н Горский, 61; тел./факс: (3832) 51-56-99, 59-93-31; е-mail: info@elcotel.ru, www.elcotel.ru. Издательство «Электроника инфо» (Минск): 220015, г. Минск, пр. Пушкина, 29 Б; тел./факс: +375 (17) 251-6735; е-mail: electro@bek.open.by, electronica.nsys.by. IMRAD (Киев): 03113, г. Киев, ул. Шутова, д. 9, оф. 211; тел./факс: +380 (44) 495-2113, 495-2110, 495-2109; е-mail: imrad@tex.kiev.ua, www.imrad.kiev.ua Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory». Использование материалов возможно только с согла сия редакции. При перепечатке 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. Подписано в печать 12.11.2009 г. Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 4000 экз. Изготовлено ООО «Группа Море». г. Москва, Хохловский пер., д. 9. Тел.: +7 (495) 917-80-37.
электронные компоненты
www. elcp.ru
АНАЛОГОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ 57 Константин Староверов Компоненты Maxim для сигнальных цепей
СИЛОВЫЕ ДИСКРЕТНЫЕ КОМПОНЕНТЫ 63 Абдус Саттар, Кен-Вук Сёк Новое семейство силовых P-канальных МОП-транзисторов
МИКРОСХЕМЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ содержание
4
67 Андрей Никитин Современные высоковольтные драйверы MOSFET- и IGBT-транзисторов International Rectifier
Микроконтроллеры и DSP 72 Макс Домейка Оценка производительности многоядерных процессоров. Часть 2 75 Роджер Ричи Управление 8- и 16-разрядными МК посредством интернета
www. elcp.ru
ВСТРАИВАЕМЫЕ СИСТЕМЫ 77 Арнольд Эстеп Проблемы совместимости — последнее препятствие на пути СОМ 80 Джозеф Бехаммер Философия COMsistent: с технологией COM Express — в будущее!
СТАНДАРТНЫЕ МИКРОСХЕМЫ И ПАМЯТЬ 83 Джафер Меджахед Микросхемы NVRAM серий TimeKeeper и ZeroPower компании STMicroelectronics
ПОСЛЕ РАБОТЫ 88 Александр Каменский Двухдиапазонный частотомер 90 Новости компании «Мастер Кит» 91 Тон Гисбертс Карманный усилитель звука 93 Новые компоненты
на российском рынке
contents # 1 1 / 2 0 0 9 E LEC TRO N IC COM PO N E NTS #11 20 09
8 No Drive Engineering Package Is in Its Country… Interview
ELECTRIC DRIVE 13 Stanislav Florentsev and Dmitry Izosimov Traction Motor in Hybrid Vehicles. Part 1. Designing Drive Engineering Package 19 Kedar Godbole Field Oriented Control Reduces Motor Size, Cost and Power Consumption in Industrial Applications 23 Victor Alexandrov Electric Motor Efficiency and Power Factor Correction
POWER ICs 67 Andrey Nikitin Modern High-Voltage Drivers for MOSFET and IGBT from International Rectifier
MCU and DSP 72 Max Domeika Evaluating the Performance of Multi-Core Processors. Part 2 75 Roger Richey Bringing Internet Connectivity to 8- аnd 16-bit Microcontrollers
EMBEDDED SYSTEMS
28 Victor Ezhov
77 Arnold Estep
FPGA in Industrial Motor Control Systems
Interoperability Scores a Victory with Plug and Play COM Spec
32 Irina Romadina ON Semiconductor’s AMIS-30xxx Driver Family for Stepping Motors
DISPLAYS 38 Alexander Samarin
80 Josef Behammer COMsistent! Moving Safely into the Future with COM Express
TYPICAL ICs and MEMORY
Advanced Display Technologies
83 Jafar Medjahed
46 Olga Kostina and Victor Beletsky
TimeKeeper and ZeroPower NVRAMs from STMicroelectronics
Recommendations on Selecting Displays for Portable Devices
NETWORKS and INTERFACES 50 Victor Okhrimenko PLC Technologies. Part 2 54 Christopher Gobok Power over Ethernet (PoE) Grows up: It's Now PoE+
ANALOG
AT LEISURE 88 Alexander Kamensky Dual-Band Frequency Meter
5
90 Master-Kit News 91 Ton Giesberts Pocket Audio Amplifier 93 NEW COMPONENTS IN THE RUSSIAN
MARKET
57 Konstantin Staroverov Maxim’s Components for Signal Circuits
DISCRETE POWER 63 Abdus Sattar and Kyoung-Wook Seok P-Channel Power MOSFETs Approach N-Channel Performance
электронные компоненты №11 2009
содержание
MARKET
Компании:
производите ли, дистрибьюторы, поставщики
37 Agilent Technologies Inc. 7 EEMB 4-я обл. IR/Компэл, ЗАО 15 Maxim Integrated Products 2 Microchip Technology Corp. 21 Texas Instruments
87 Авитон, ЗАО 27 Александер Электрик Дон, ООО 29, 65 Аргуссофт 55 Гранит-ВТ, ЗАО Спб 2-я обл., 35, 61, 71, 85 Компэл, ЗАО 49 КТЦ-МК 90 Мастер Кит 45 Миландр, ЗАО
6
11 МТ-Систем, ООО содержание
78 Неон, ООО 43 Примэкспо, ООО 4 Резонит, ООО 79 Реом СПб, ЗАО 81 РТСофт, ЗАО 3-я обл. Симметрон, ЗАО 25 СМП, ООО 17 Электроконнект, ООО 87 Элитан, ЗАО 1 Элтех, ООО
www. elcp.ru
НЕТ КТЭО В СВОЕМ ОТЕЧЕСТВЕ… В ЭК12, 2008 г. была опубликована статья об экономичном экологичном гибридном автобусе, основу которого составила разработка предприятий Российского концерна «Русэлпром». Мы встретились с одним из авторов этой публикации — Станиславом Николаевичем Флоренцевым, генеральным директором компании «Русэлпром-Электропривод», доктором электротехники, действительным членом РАЭН, членом IEEE и SAE, чтобы поговорить о текущих делах его фирмы, о новых проектах и ближайших задачах. — Экономический кризис оказался на руку российским производителям? — Не думаю. Приведу пример с БелАЗ: оба конвейера стоят, все наши проекты по модернизации, по перспективным самосвалам приостановлены. Очень сильно кризис ударил по проекту гибридного автобуса, потому что еще в прошлом году мы его закончили, провели испытания, получили звание «Лучший автобус России» и с тех пор продвинулись частично в заводских испытаниях. Практически ЛИАЗ весь год стоял, денег на продолжение работ, на запуск установочной серии у него нет. Новые проекты по созданию комплекта тягового электрооборудования (КТЭО) для сельскохозяйственных универсальных средств, которые мы планировали развить, например, с «Гомсельмаш», тоже были приостановлены и реанимированы только на прошлой неделе. Не стартовал ни один проект с концерном «Тракторные заводы». Они очень заинтересованы в электротрансмиссии, но тяжелейшее финансовое положение не позволяет стартовать даже таким проектам, хотя все предпроектные работы, даже эскизное проектирование завершено. Осталось дело за небольшим: договор, аванс и старт. Через 3–4 месяца
они могли бы иметь комплект оборудования. У нас очень большие заделы. С одним из проектов по трансмиссии для промышленного бульдозера мы ходили еще 2,5 года назад в концерн «Тракторные заводы». Но косность инженеров, преклонный возраст, нежелание новизны не позволили нам запустить этот проект. И только в этом году, когда компания Caterpillar практически такую же схему вывела на серию, продемонстрировав на деле то, о чем мы говорили еще тогда (экономия 20% топлива, на 25% выше производительность и т.д.), генеральный директор Михаил Болотин отстранил генерального конструктора от этих работ и попытался реанимировать проект. Но он тоже приостановлен, потому что нет денег. — Какие меры Вы приняли в кризис — сократили штат, уменьшили зарплату? — «Русэлпром-Электропривод» — единственное подразделение в концерне, в котором не сокращали штат, но зарплату пришлось немного уменьшить. Мы для «Русэлпрома» — будущее, и нас не тронули. В этом году трактор установочной серии с нашим оборудованием завоевал серебряную медаль немецко-
Российский электротехнический концерн «Русэлпром» Рынок
8
Продукция: – электродвигатели (синхронные и асинхронные) 2 кВт…12 МВт — ВЭМЗ, СЭЗ; – генераторы до 5 МВт, турбогенераторы до 12 МВт, гидрогенераторы до 300 МВт — СЭЗ, ЛЭЗ; – преобразовательные устройства, трансформаторы, реакторы — «Русэлпром-Электромаш» ВЭМЗ-Спектр, «Русэл пром-Электропривод», «Русэлпром-Трансформатор»; – инжиниринговые услуги — «Русэлпром-Электропривод», «ЭТК-Инжиниринг», «РОЭЛ-Лизинг».
ООО «Русэлпром-Электропривод» Продукция. Комплекты тягового электрооборудования большегрузных карьерных самосвалов, колесных и гусеничных тракторов, городских гибридных автобусов Численность персонала: 35 Проекты. КТЭО БелАЗ-240, КТЭО электрической трансмиссии многоосного автомобиля, КТЭО УЭС, КТЭО УМ-250Э, ЭТ-300ЦП, ЭТ-160Г, ЭТ-150ЦП, КТЭО городских автобусов с гибридной энергоустановкой, «Кентавр-ЛИАЗ» и др. Участие в выставках. Международный автомобильный Форум, Москва, сентябрь 2008 г.; «Интеравто», Москва, август 2009 г.; «Агритехника-2009», Ганновер, ноябрь 2009 г. Медали: Золотая медаль и звание «Лучший автобус России 2008 г.», Международный автомобильный Форум, сентябрь 2008 г., Москва, «Крокус-Сити». Серебряная медаль немецкого сельскохозяйственного общества (DLG). Международная выставка «Агритех ника-2009», ноябрь 2009 г., Ганновер, Германия.
www.elcp.ru
го сельскохозяйственного общества (DLG) на международной выставке «Агритехника-2009», показав на практике экономию топлива на пахоте до 30%. По сути, это революционное событие, т.к. на прошлой выставке («Агри техника-2007») за 4% экономии топлива во вспомогательном приводе машина марки JohnDееr получила золотую медаль. — В России была очень сильная школа силовой электроники. Осталось ли что-то от нее? — Осталось, но уже не на базе головных институтов, как ни прискорбно об этом говорить. Потеряны все школы: и ленинградская, и московская, и чебоксарская. Выжили малые фирмы, в которые ушли лучшие представители этих головных институтов. И таких малых фирм, к счастью, достаточно — в Питере, Новосибирске, Томске, в Челябинске. В Вологде появилось приличное направление, занимающееся городским автотранспортом. В какой-то мере это наши конкуренты, но я считаю, что мы пошли дальше. Школы в том старом понимании уже нет. У Юрия Константиновича Розано ва — одного из корифеев — очень хорошие современные книги по силовой электронике. Но производственных связей, производственной школы нет. — Вы ощущаете конкуренцию на этом рынке? — На последний конкурс, который объявил Минпромторг по гибридным автобусам, вышло семь претендентов. Естественно, некоторые из них были просто дутыми, но понятно, что эта тематика востребована. Считаю, что пока у нас нет конкуренции, потому как мы решаем комплексную задачу по разработке и производству: электрические машины, силовая и управ-
— Вы занимаетесь разработкой алгоритмов управления гибридным автобусом, трактором? — Да это наш основной козырь, т.к. мы начинаем проектирование с тяговодинамических расчетов, моделирования комплекта тягового электрооборудования, выработки требований ко всем его компонентам. А вторым этапом является моделирование и всего транспортного средства, когда мы занимаемся разработкой алгоритмов управления, оптимизацией. Затем проверяем спроектированный и изготовленный КТЭО на стендах. — Кто ваши заказчики? — В России, к сожалению, заказчиков практически нет. С идеей гибридного автобуса мы выходили 4 года назад на КАМАЗ, убеждали в правоте нашей последовательной схемы с суперконденсаторами, с асинхронными двигателями. Они почему-то приняли решение купить устаревшую трансмиссию Alison, которая сегодня признана для этих целей неэффективной. Последние выставки в Вене (UITP-2009) и Кортрейке (BussWorld-2009) показали, что 8 фирм из 10 реализуют нашу схему как наиболее перспективную. К счастью, в начале прошлого года группа ГАЗ, дивизион «Автобусы», стала нашим заказчиком по созданию 12-м гибридного автобуса. В этой работе мы перешли дорогу фирме AVL, которая к тому моменту целый год разрабатывала концепцию создания гибридного автобуса, израсходовала в 10 раз больше денег, чем мы потом получили за конкретную работу. За полгода мы сделали первый комплект оборудования для городского низкопольного маршрутного автобуса ЛИАЗ-5292. — Известно, что московское правительство планирует переход на использование гибридного транспорта. Примет ли ваша компания участие в этих проектах?
— В последнее время было много программ, была потрачена не одна сотня миллионов рублей, но реальных результатов работ до сих пор нет. Процветает коррупция: контракты делаются под конкретных исполнителей. Это один из способов поддержки умирающих федеральных предприятий, в первую очередь НАМИ (Центральный научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт). Большая часть объявляемых проектов посвящена исследованию тех вопросов, которые мы уже давно решили в процессе проектирования. Мы не лезем в эти проекты — там все заранее договорено, а объективные правила проведения конкурсов отсутствуют. У московского правительства нет воли, чтобы превратить свое желание в реальное дело. Наш гибридный автобус можно поставить на эксплуатационные испытания только после сертификации. А сертификация должна пройти после заводских испытаний на Дмитровском полигоне. К этому ЛИАЗ не готов — завод не работает. Кроме того, правительство приняло решение отодвинуть внедрение экологического стандарта «Евро-4» на 3 года. Наше оборудование отвечает стандарту «Евро-4», а с гибридом это почти «Евро-5». Естественно, этот стандарт неактуален, поэтому ЛИАЗ не торопится его сертифицировать. Российские производители тракторов, к которым мы обращались с предложением разработать КТЭО электромеханических трансмиссий, не проявили к нашему предложению интереса. Например, «Кировец» производит около 100 тяжелых тракторов 30-летней давности. Эта техника неэкономична, неэффективна, не соответствует экологическим стандартам. Но нет желания, а возможно, и конструкторов, кто мог бы изменить ситуацию. Владимирский тракторный завод производит печальное впечатление. Мы приезжаем в Белоруссию, я вижу молодые горящие глаза, а у нас на предприятиях сидят старики с потухшим взглядом. Минский транспортный завод оказался на плаву, они сумели сохранить самый ценный капитал — конструкторов. Хотя и там поначалу было не все гладко — были противники нашего проекта по переходу на электротрансмиссию. — Расскажите, пожалуйста, о важнейшем инновационном проекте (ВИП) Минпромторга РФ «Олимпиада». — Создание нескольких типов городских транспортных экономичных и экологичных средств на базе комбинированных энергоустановок — очень
важная и актуальная тема проекта ВИП «Олимпиада». Его цель — через три года иметь в стране серийное производство конкурентоспособных (импортозамещающих), ресурсосберегающих, экологически чистых городских транспортных средств. Во что же превратилась реализация этого проекта? Под давлением различных сил его цели были размыты. Сам проект разбит на три этапа. При этом трудно, а практически нереально обеспечить преемственность выполнения его этапов: один выполняет разработку (под какое производство?), другой — изготавливает и испытывает установочную серию, а затем, возможно, третий (таковы условия проведения конкурса) должен подготовить и осуществить серийное производство. Бред. В этом году конкурс этапа технического проекта ВИП «Олимпиада» «выиграл» ФГУП НАМИ (НИОКР «КД Олимпиада»). Мы, при всех наших заделах, научно-производственном потенциале, имеющейся практической разработке КТЭО городского гибридного автобуса, по формальным признакам не были допущены к конкурсу. Что НАМИ предложит для следующего этапа проекта? Старые двигатели и генераторы фирмы Siemens, китайские батареи, силовую электронику на элементной базе предыдущего поколения? Кто в России будет это производить? Или будем опять покупать за бугром? Да и вопрос шире. Весь мир идет от механических к электрическим трансмиссиям. Ни одному предприятию Российского автопрома эту проблему в одиночку не поднять. Требуется четкая государственная политика. Есть предложения, но отсутствуют решения на государственном уровне. Через год-два поезд уйдет, и российский автопром опять останется на задворках. — Фактически, все ваши заказчики — белорусские? — Да. И все наиболее важные разработки относятся к трактору. А совместные с БелАЗ проекты стоят. Этот рынок резко сократился. Мы постоянно модернизируем свою разработку для колесного энергонасыщенного сельскохозяйственного трактора мощностью 300 л.с., серийное производство которого начнется в следующем году. Стартовал проект для колесного (массового) трактора мощностью 150 л.с., гусеничного трактора мощностью 160 л.с. Мы готовим еще один проект, которым хотим удивить весь мир на «Агритехнике-2011». По мнению генерального директора «Минского тракторного завода» Александра Пухового, к 2012 г. все тракторы мощностью более 150
электронные компоненты №11 2009
9 Рынок
ляющая электроника, вспомогательные системы питания и охлаждения DC/DC-преобразователей, контроль верхнего уровня, табло отображения информации, множество протоколов. В нашем концерне все есть: производство электрических машин, производство силовых преобразователей, мы получаем платы контроллеров нижнего и верхнего уровней, используем всю современную элементную импортную базу. Ведущий исполнитель в рамках нашего концерна — ООО «РусэлпромЭлектропривод» и я как генеральный конструктор. А заводы являются соисполнителями в области электрических машин, генераторов тяговых двигателей мощностью до 1000 кВт.
л.с. будут выпускаться в РУП «МТЗ» с электромеханической трансмиссией. А это мнение руководителя одного из крупнейших мировых производителей дорогого стоит. — Сейчас появляются все более сложные микроконтроллеры, а у схемотехника остается все меньше работы. Semikron поставляет готовые модули, благодаря которым конструктору не надо думать, например о том, как охлаждать систему. Не перемещается ли разработка от «железа» к софту? — Есть такая тенденция. Еще лет 10 назад я писал, что системы будут собираться из кубиков. К сожалению, мы работаем не в области серийного производства. Под каждый проект мы создаем индивидуальную электрическую машину. Силовые интеллектуальные интегральные блоки или интеллектуальные модули мы подстраиваем под проект, но контроллер управления в интеллектуальных интегральных системах мы вынуждены делать свой, потому что он завязан на те задачи, которые универсальные приборы не реализуют. Однако большая часть усилий идет на программирование контроллера верхнего уровня, поскольку мы создаем разветвленную, многоуровневую систему управления сложным объектом. Верхний уровень управляет приводами, генератором, дизелем и остальными частями комплекта.
— Не наступит ли такая ситуация, когда не потребуется специалист, знающий, грубо говоря, принцип работы инвертора? — Нет, тот же модуль SKAI работает в системе не один. Его нужно соединить с другими модулями, подумать о шине постоянного тока, о паразитной индуктивности, о коммутационных помехах. Вопросы все равно останутся, и нужен специалист, который понимает, как это работает. У нас в структуре одна лаборатория силовых преобразователей, и две лаборатории занимаются микроконтроллерами и управлением. Еще одна лаборатория в штате — лаборатория испытаний. — Почему никто не следует примеру Semikron, создав законченный модуль, в котором имеется силовая часть, конденсатор, драйвер и датчики питания? — Попытки предпринимаются. Меня два года теребит Infineon Technology (конкурент Semikron), чтобы сделать что-то подобное SKAI, но у нас вместе с ними пока ничего не получается. Надеемся, что через некоторое время мы будем собирать в России SKAI на комплектующих Semikron. — Ваше отношение к российской элементной базе. — Последний отрицательный опыт применения отечественного элемента относится к лету этого
года. Мы поставили в третий уровень защиты российский супрессор разработки Научно-производственного комплекса «Далекс» (г. Александров Владимирской области). Через некоторое время испытаний на стенде супрессор закоротил: возникла дуга и все выгорело. Вместо того чтобы ограничивать перенапряжение, он закоротил при более низком уровне напряжения. После этого случая я не применяю даже эти элементы. Разъемы тем более. Контроллеры я отдаю в контрактное производство. — Как Вы решаете кадровый вопрос? — Все российские специалисты в области силовой электроники друг друга знают. Когда я переходил в «Русэлпром», приглашал коллег, пользуясь старыми связями. Привлекал приличной зарплатой, очень интересной работой. Ищу студентов, но в Москве, к сожалению, ни одного не нашел — нет специалистов такого уровня. На сотню студентов приходится один-два интересных человека, но в 100% случаев их уже кто-то купил. В основном, это западные фирмы. Если после этой публикации ктото откликнется, милости прошу. Специалисты нам нужны. Интервью подготовили Леонид Чанов и Владимир Фомичёв.
События рынка
Рынок
10
| Freescale Semiconductors: инновационные достижения в условиях экономии | 11 ноября 2009 г. в Москве в рамках серии международных семинаров Designing with Freescale, охватывающих 7 стран Европы, компания Freescale Semiconductors провела пресс-конференцию. На пресс-конференции выступили: Стив Уэйнрайт (Steve Wainwright), ген. директор по странам EMEA; Мартин Бернс (Martin Burns), региональный директор по продажам и распределению; Ян Смит (Ian Smith), руководитель отдела прямых продаж по странам EMEA, и Андрей Абрамов, ген. директор представительства Freescale Semiconductor в России. В течение последних трех лет компания ежегодно инвестирует более 1 млрд. долл. в научные исследования и разработки. Freescale — мировой лидер по поставкам компонентов для автомобильной электроники, занимающий второе место на рынке микроконтроллеров и микропроцессоров для встраиваемых систем, а также лидер на рынке коммуникационных процессоров. В III кв. текущего года прибыль компании возросла на 8% по сравнению со II кв. За счет снижения операционных расходов компания добилась экономии ресурсов в размере около 650 млн. долл. В настоящее время компания планирует сокращение производства некоторых видов продукции, в частности чипсетов для сотовых телефонов. В дальнейшем планируется избавиться от этого направления. В настоящее время часть компонентов производится на мощностях фирмы, а часть — на предприятиях фаундрипартнеров — тайваньской TSMC и сингапурской Chartered Semiconductor Manufacturing. В перспективе большая часть производства будет передаваться на аутсорсинг. Для телекоммуникационных технологий Freescale разработала высокопроизводительные одно- и многоядерные процессоры семейств PowerOUICC и QorIQ. Основными направлениями инвестиций в этой области являются: совершенствование архитектуры процессоров, развитие ПО и внедрение 45-нм технологического процесса. Последним достижением в области телекоммуникаций стал процессор MPC8038 с рабочей частотой 400 МГц и потребляемой мощностью 1,2 Вт. Специализацией компании в области промышленных систем являются: автоматизация производственных процессов, управление энергопотреблением, контроль эксплуатационных параметров зданий (например, счетчики электроэнергии), оборудование для точек продаж и банкоматов. Предлагается несколько семейств микроконтроллеров для этих секторов: ColdFire MCF5ххх и i.MX. В офисе представительства Freescale Semiconductor в Зеленограде работают около 90 человек, которые в основном занимаются разработками микросхем для различного применения. Представительство развивает сотрудничество с несколькими российскими университетами. В октябре прошлого года были подписаны дистрибьюторские соглашения с компаниями «Элтех» и «Симметрон». www.russianelectronics.ru
www.elcp.ru
18 марта 2010 г.
Первая Всероссийская конференция Учас тники:
руководители отделов разработки, инженеры-программисты, ведущие разработчики. Ко м п а н и и :
• производители компонентов и разработчики решений для мультимедиа и телекома, сетей и интерфейсов, беспроводных технологий; • контрактные разработчики. Всего в конференции примут участие 200—250 специалистов. В программе мероприятия запланированы выступления ведущих инженеров компаний и экспертов рынка.
П р е д в а р и т е л ь н а я ПРО Г РАММА ко н ф е р е н ц и и 09:00—10:00
Регистрация участников. Приветственный чай/кофе. Работа выставки. 10:00—13:00 П л е н а р н а я ч ас т ь
• мировой рынок программно-аппаратных средств мультимедиа и телекома; • мировой рынок компонентов и решений для беспроводных технологий: продукция компаний – мировых лидеров; • стандарты МЭК для промышленных сетей; • построение абонентских сетей; • обзор современных беспроводных технологий; • тенденции развития мультимедиа и телекома; • опыт разработки навигационной аппаратуры ГЛОНАСС. Перспективы развития.
13:00 —14:00
Обед. Работа выставки 14:00 – 18:00 Ра б о та с е к ц и й
I. II. III.
Телеком и мультимедиа (разработчикам оборудования связи, оборудования приема цифрового телевидения, мультимедиа, гаджетов). Беспроводные технологии (разработчикам беспроводных модулей и систем, в том числе ГЛОНАСС). Сети и интерфейсы (разработчикам модулей и компонентов проводных и беспроводных сетей, в том числе промышленных сетей).
18:00
Фуршет Производителям, поставщикам компонентов и интеграторам мы предлагаем представить свою продукцию, новые технологии, возможности и планы их компаний.
За более подробной информацией обращайтесь в оргкомитет Форума. Тел./факс: (495) 741-7701, доб. 2233; 741-7702 Контактное лицо: Динара Бараева e-mail: conf@ecomp.ru
ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД В ГИБРИДНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ Часть 1. Идеология проектирования КТЭО Станислав Флоренцев, ген. директор «Русэлпром-электропривод», Дмитрий Изосимов, зам. ген. директора по науке, «Русэлпром-электропривод» Рассматриваются кинематические схемы гибридных транспортных средств, специфические требования к тяговым приводам и моторамгенераторам, перспективные типы электрических машин и силовых преобразователей, характерные особенности систем ДВС-генератор, буферный накопитель, силовой преобразователь — электродвигатель, редуктор и коробка передач. Рассматриваются вопросы синтеза управления электроприводом и комплектом тягово-энергетического оборудования. результаты и большую гибкость управления дает схема с дополнительным тяговым электродвигателем (ТЭД) с инвертором, редуктором и механической муфтой сцепления, позволяющей реализовать передачу тягового усилия от ТЭД на ведущие колеса совместно с тягой от ДВС. Это «классическая» параллельная кинематическая схема. Применяются и смешанные кинематические схемы, в которых ДВС и МГ «работают» на двухвходовую планетарную передачу (система СПЛИТ). Развитием указанных кинематических схем является последовательная схема, в которой кинематические связи между ДВС и ведущими колесами принципиально исключаются. Последовательная схема открывает простор для новых конструкторских решений. В последовательной схеме существует возможность исключения коробки передач, сцепления, карданного вала, что существенно снижает общую массу силового оборудования; появляется возможность исключения «последней» механической передачи — дифференциала, который, в принципе, значительно затрудняет построение качественной системы управления движением, ухудшает управляемость и проходимость транспортного средства. Рациональное соотношение мощностей основных источников тягового усилия от ДВС и ТЭД, а также энергоемкости и мощности накопителя зависит от того, в каких режимах движения будет эксплуатироваться данное транспортное средство. Наибольший эффект от КЭУ достигается при использовании транспортного средства в городском движении: по имеющимся экспериментальным данным, потребление топлива снижается на 25—30%, а в отдельных случаях вдвое. Особняком стоят транспортные средства большой грузоподъемно-
сти, например карьерные самосвалы, в которых использование механической трансмиссии затруднено или даже невозможно [3]. В таких транспортных средствах тяговый электропривод применяется давно, и в настоящее время вопрос заключается в его модернизации. Использование КЭУ в дорожностроительной и сельскохозяйственной технике позволяет существенно упростить кинематические связи, повысить проходимость и топливную эффективность. Таким образом, происходит процесс «генетической мутации» транспортных средств, качественного изменения их структуры и состава основных силовых устройств. Электромеханические устройства являются относительно новыми в транспортной технике, принципы их проектирования с учетом специфики применения пока не устоялись, требуется переосмысление многих принципиальных моментов. Переход от исходных данных к параметрам конкретных устройств в настоящее время основывается на опыте разработок этих устройств для других применений и представляется скорее искусством проектировщиков. В самом деле, отсутствуют общепринятые и обоснованные процедуры выбора основных параметров электромеханических устройств для гибридной транспортной техники: коэффициентов редукции, числа передач, частот вращения, частот питания электрических машин, числа пар полюсов и т.д., не говоря уже о выборе типа электродвигателей. Весьма редки случаи корректного сопоставления разработанных систем, тем более что отсутствуют критерии качества их проектирования. Все это в значительной мере сдерживает разработку перспективных образцов гибридной техники, затрудняет взаимо-
электронные компоненты №11 2009
13 Элек тропривод
Введение
Гибридные транспортные средства или, как иногда их предпочитают называть, транспортные средства с комбинированной энергоустановкой (КЭУ), представляют нечто среднее между автомобилем (транспортным средством, приводимым в движение тепловым двигателем) и электромобилем (транспортным средством, приводимым в движение электродвигателем и питаемым от бортового источника электроэнергии). КЭУ состоит из двух и более источников энергии: двигатель внутреннего сгорания (ДВС), генератор, аккумулятор, буферный накопитель, батарея топливных элементов и т.д. Отношение к транспортным средствам с КЭУ начало коренным образом изменяться в конце прошлого столетия. В связи с энергетическим кризисом и экологическими проблемами во многих странах стали заниматься вопросами энергосбережения и охраны окружающей среды. Анализируя возможные пути повышения топливной эффективности, специалисты по автомобильной технике обнаружили, что существенную экономию топлива может дать использование КЭУ и современного электропривода. КЭУ с ДВС являются наиболее реальным путем достижения высоких показателей транспортных средств в самом ближайшем будущем, который обеспечивает большую дальность пробега и сохраняет существующую инфраструктуру заправки. В минимальной постановке [1, 2] электропривод может использоваться в качестве мотор-генератора (МГ), устанавливаемого непосредственно на коленчатом валу ДВС и позволяющего выключать ДВС при любой остановке транспортного средства, а при последующем быстром пуске ДВС по команде водителя — начать движение. Лучшие
понимание специалистов — разработчиков электрических машин, электроприводов, механических устройств и специалистов-транспортников. Особенности применения электропривода в транспортной технике Тяговый привод
Элек тропривод
14
В тяговом приводе ограничивается максимальный момент и мощность на валу привода. Ограничение максимального момента связано в первую очередь с требованиями, определяемыми силовой электроникой (максимальным током силового преобразователя); ограничение гиперболой мощности определяется мощностью бортового источника (ДВС, буферного накопителя). В режиме торможения происходит рекуперация, т.е. возврат кинетической энергии движения транспортного средства. Рекуперируемая энергия может поступать в буферный накопитель или «сбрасываться» в тормозной резистор. Возможен также «сброс» энергии торможения в ДВС через обратимый мотор-генератор, при этом топливо в ДВС не подается. В основном диапазоне мощностей 20…70 кВт наибольшее развитие получили асинхронный электропривод (АЭП) и электропривод с синхронным двигателем на основе постоянных магнитов (СЭППМ). Имеются (не очень удачные) примеры использования вентильно-индукторного привода. Из перспективных типов двигателей отметим также синхронно-реактивный. Отметим, что в настоящее время отсутствует методика корректного сопоставления двигателей различных типов [4]. АЭП характеризуется наилучшим соотношением цена/качество. СЭППМ имеет некоторое преимущество в КПД, но стоит дороже. В АЭП работа с ограничением мощности обеспечивается при ограничении напряжения питания двигателя за счет соответствующего ослабления поля. В синхронном приводе с постоянными магнитами поле практически не регулируется, что приводит к необходимости завышения установленной мощности преобразователя в 3—10 раз. Для приводов легких транспортных средств это приемлемо; для средних и тяжелых транспортных средств это приводит к недопустимому удорожанию системы привода. ТЭД и МГ в гибридном автомобиле питаются от силового преобразователя, максимальную выходную частоту которого можно регулировать и устанавливать в диапазоне до 500 Гц и более, в отличие от общепромышленных асинхронных двигателей, питаемых от сети 50 Гц и допускающих прямой пуск
www.elcp.ru
включением в сеть. Указанное отличие является принципиальным, поскольку появляется возможность существенного снижения массы тяговых двигателей практически без снижения их КПД. Вопросы оптимизации электродвигателей для транспортного применения далеко не тривиальны, они связаны не только с оптимизацией самого двигателя, но и с его охлаждением, конструкцией, выбором режимов его работы во всех областях частот вращения и нагрузок. Мотор-генератор
Типовая область скоростей и моментов МГ, работающих совместно в области рабочих режимов ДВС, оптимальных по топливной эффективности и выбросам, характеризуется тем, что максимальный момент реализуется на максимальной частоте вращения. Соотношения N max /N min и M max /M min составляют обычно около 2 (при меньшей мощности либо отходят от области рабочих режимов за счет снижения момента вплоть до холостого хода ДВС, либо выключают ДВС). Значения Nmax для дизельных ДВС составляют около 2000 об./мин., для бензиновых выше — до 3000—4000 об./мин. Оптимальный тип ЭД для моторагенератора назвать трудно. Возможно, что это также асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором или синхронный с постоянными магнитами, или синхронно-реактивный двигатель. Таким образом, режимы работы ЭД в тяговых приводах и в генераторах существенно различаются, что требует соответственного различия в методиках их проектирования [5]. В настоящее время идет бурный процесс использования асинхронных двигателей в составе тягового привода. В последнее время появились новые методики оптимизации геометрии активных частей асинхронного двигателя (АД) [6]. Оказалось, что имеются значительные, носящие прорывной характер резервы. Принципы проектирования высокоэффективных АД позволяют утверждать, что для уменьшения массы и повышения КПД активная часть АД вращательного движения должна иметь «бубликообразный» вид: статор и ротор сосредоточены на окружности двигателя, а в центральной части, не участвующей в формировании электромагнитного момента, активные материалы отсутствуют. Для оптимизированных АД при заданной мощности и примерно одинаковых уровнях потерь масса не зависит (точнее, слабо зависит) от частоты вращения ротора. Система «электрическая машина — механический редуктор»
Обычно мощности, моменты и частоты вращения выходных (для
ТЭД) и входных (для МГ) валов являются заданными; как правило, известны желаемые КПД и габариты системы «электродвигатель — редуктор», а также их максимальная масса. Удельные характеристики ЭД и редукторов, которые определяются параметрами применяемых материалов и технологий изготовления, существенно различаются. Редукторы, как правило, характеризуются более высокими отношениями удельной массы к передаваемому моменту по сравнению с ЭД. Соответствующие показатели, казалось бы, однозначно свидетельствуют в пользу механических редукторов как по удельному моменту, так и по КПД или потерям. Казалось бы, что для оптимизации совокупных показателей целесообразно максимально использовать преимущества механических редукторов. Широко распространено мнение, что выбор редуктора с максимальным коэффициентом передачи и, соответственно, использование электрической машины с максимальной частотой вращения позволяет снизить массу системы «электродвигатель — редуктор». Для обычных ТАД это, в целом, справедливо: снижение момента при фиксированном числе пар полюсов позволяет использовать двигатель меньшей массы. Для оптимизированных двигателей это не так. Масса оптимизированного двигателя определяется его мощностью и незначительно зависит от частоты вращения. Отсюда следует, что целесообразно исключить механический редуктор, который только увеличивает массу и стоимость системы. Если габаритные ограничения нарушаются, целесообразно использовать редуктор. Повышение коэффициента редукции позволяет уменьшить габариты ЭД за счет уменьшения объема не содержащей активных материалов внутренней части, сосредоточенной вдоль оси вращения электрической машины. Использование редук тора не изменяет приведенный момент инерции вращающихся масс электродвигателя. Система «электрическая машина — коробка передач»
Рассмотрим вначале случай простейший коробки с двумя номерами передач. Пусть коэффициенты редукции на высшей и низшей передаче отличаются в два раза. Можно ожидать, что это позволит использовать ТЭД с вдвое меньшим электромагнитным моментом. Снижение электромагнитного момента ТЭД в два раза уменьшит его массу примерно вдвое. Соответственно, снижается его стоимость, но увеличивается стоимость
механических устройств. Таким образом, использование коробки передач позволяет снизить как массу, так и габариты ТЭД. Отметим, что следует принять во внимание совокупные характеристики электромеханической системы «двигатель — коробка передач», с точки зрения их общей массы и габаритов, а также стоимости, ресурса и других показателей. Эффек тивнос ть применения коробки передач тем выше, чем больше отношение максимального электромагнитного момента к моменту, развиваемому на максимальной частоте вращения. Предельное относительное снижение массы двигателя за счет использования коробки передач можно оценить величиной M ma x N ma x /2P ma x . Соответс твующее минимальное число ступеней передач оценивается величиной, равной логарифму по основанию 2 от отношения M maxN max /Pmax с округлением до ближайшего большего целого значения. Реальная эффективность применения коробки передач несколько меньше. Использование коробки передач в тяговом электроприводе увеличивает момент инерции вращающихся масс на низших передачах и снижает момент инерции на высших передачах. Система «электрическая машина — силовой преобразователь»
Элек тропривод
16
Наиболее перспективным промышленным типом силового преобразователя для питания ТЭД в транспортных средствах является автономный инвертор напряжения (АИН), работающий в режиме высокочастотной широтноимпульсной модуляции (ШИМ). Инерционность нагрузки позволяет фильтровать высокочастотную составляющую выходного напряжения АИН. Векторные алгоритмы ШИМ [7] позволяют: снизить коммутационные потери энергии (до 2,25 раз); повысить использование напряжения звена постоянного тока (примерно в 1,15 раз); сократить число переключений (в 1,5 раза);
увеличить максимальную длительность импульсов управления. Основными критериями, характеризующими качество ШИМ, т.е. критериями, которыми оцениваются достоинства и недостатки того или иного алгоритма ШИМ, являются: – энергетические (потери энергии); – акустические (звуковые характеристики работы АИН и нагрузки); – спектральные (спектр напряжений, токов, электромагнитного момента и механические шумы в нагрузке); – простота реализации (объем вычислений в процессоре, быстродействие, вычислительная мощность, сложность средств аппаратной поддержки), удобство сопряжения с алгоритмами управления нагрузкой (например, с алгоритмами управления электроприводом); – чувствительность к неточностям реализации, задержкам в выполнении команд и т.д. Качество ШИМ, с точки зрения потерь энергии, оценивается дополнительными коммутационными потерями в нагрузке (потери в двигателе из-за наличия коммутационной составляющей токов) и на коммутацию силовых ключей. Мощность первых определяется амплитудой коммутационной составляющей тока, которая при относительно высокой частоте модуляции обратно пропорциональна частоте ШИМ; коммутационные потери в АИН примерно пропорциональны частоте ШИМ. Отсюда следует, что, с точки зрения минимизации суммарных потерь, существует оптимальное по совокупному КПД значение частоты модуляции. В тяговом приводе важно снижение стоимости комплектного оборудования при обеспечении требуемых тяговых характеристик. Стоимость силового преобразователя, которая составляет основную часть стоимости тягового привода, определяется ценой силовых приборов, пропорциональной установленной мощности преобразователя. Установленная мощность ТЭД равна произведению максимального электромагнитного момента на максимальную частоту вращения; значение
Рис. 1. Требуемые и предельные (при ограничении напряжения и тока) электромагнитные моменты асинхронного тягового двигателя при согласовании обмоточных данных двигателя
www.elcp.ru
гиперболы мощности, ограничивающей область реализуемых моментов и часто понимаемое как мощность ТЭД, обычно существенно меньше, чем значение установленной мощности электродвигателя. Возникает вопрос, какому из этих двух значений должна соответствовать установленная мощность силового преобразователя? При использовании АЭП ближе к истине второе утверждение, что позволяет существенно снизить стоимость силового преобразователя. Принцип рационального выбора мощности преобразователя почти очевиден. Максимальные значения развиваемого электромагнитного момента определяются предельным током в обмотках двигателя. Поэтому целесообразно реализовать максимальный момент в режиме минимального потребляемого тока. Однако при этом должна быть реализована вся область требуемых моментов на тяговой характеристике. В результате получится двигатель, в котором при максимальной частоте вращения реализуется близкое к критическому скольжение. Такой алгоритм выбора обмоточных данных позволяет «с запасом» реализовать заданные тяговые характеристики АЭП. Пример расчета предельных режимов (асинхронный тяговый двигатель трактора) приведен на рисунке 1. В генераторах максимальный момент развивается на максимальной частоте вращения, и установленная мощность генератора совпадает с максимальной мощностью силового преобразователя. Это еще раз демонстрирует различия в проектировании тяговых электроприводов и генераторов. Отметим, что целесообразно использование силовых преобразователей в интегральном, транспортном исполнении. Режимы работы ДВС в гибридной схеме
Большинство автономных (бортовых, передвижных и стационарных) источников электрической энергии представляют собой электромашинные генераторы вращательного движения, приводимые двигателями внутреннего сгорания. Среди двигателей прямого впрыска предпочтение отдается дизельному двигателю. У дизельных двигателей небольшой мощности, по сравнению с обычными бензиновыми двигателями, топливная экономичность выше на 15—30%, а выхлоп СО2 ниже на 10—20%. С точки зрения повышения топливной эффективности, желательно, чтобы рабочие режимы лежали в области многопараметровой характеристики ДВС с минимальным удель-
В системе с буферным накопителем и в системе с обычной трансмиссией момент нагрузки ДВС при превышении скорости вращения повышается, при снижении скорости — снижается, что, очевидно, повышает устойчивость работы ДВС. В системе с электромеханической трансмиссией ситуация противоположная. Как следствие, условия устойчивой работы ДВС в такой системе отличаются от систем с традиционной трансмиссией, что требует разработки специальных алгоритмов управления ДВС. Потребность в более совершенных источниках энергии может быть достаточно быстро удовлетворена радикальным улучшением двигателейгенераторов переходом на их безвальное линейное, свободнопоршневое исполнение (СПДГ) [8]. Габаритная мощность, удельная масса и металлоемкость СПДГ в 2,5—3 раза меньше, чем у двигателей-генераторов традиционного исполнения. Основное эксплуатационное преимущество СПДГ — сниженный примерно на 30 % расход топлива. Буферные накопители
Требования к накопителям в конкретных применениях весьма разнятся. Например, в некоторых случаях критическим параметром является мощность, а количество запасаемой энер-
гии не важно; в других применениях критическим параметром является энергоемкость. Имеются отличия и в числе циклов за время работы энергоустановки; различаются требования по надежности, устойчивости к перегрузкам и т.д., что обуславливает целесообразность выбора того или иного типа накопителя для конкретного применения. Варианты буферных накопителей: – супермаховик; – аккумуляторная батарея (буферная); – суперконденсатор. Возможна также комбинация отдельных накопителей (гибридный накопитель). Основой механического (маховичного) накопителя является тело вращения — маховик, в наиболее перспективных конструкциях — т.н. «супермаховик». Супермаховик изготавливается из слоистых и волокнистых материалов высокой прочности (лент, проволок, элементарных или композиционных волокон) и обладает, кроме высокой удельной энергоемкости, свойством безопасного разрыва. Супермаховик используется крайне редко — в настоящее время нет примеров его применения в промышленно выпускаемых автомобилях. Ниши для использования того или иного типа аккумуляторных бата-
17 Элек тропривод
ным расходом топлива. По многопараметровой характеристике можно определить оптимальные по топливной эффективности значения частоты вращения и момента в функции мощности и впоследствии использовать эти зависимости для управления скоростью вращения ДВС и режимом его нагружения (напомним, что ДВС в последовательной гибридной системе не связан кинематической связью с колесами, скорость движения определяется ТЭД и может выбираться любой в пределах имеющегося ресурса мощности ДВС). Разумеется, можно использовать и экспериментально полученные зависимости. Снижение потребления топлива при использовании оптимального по топливной эффективности режима может быть существенным — на максимальной мощности до 30% и более, по сравнению с обычно используемой частотой вращения ДВС. Особо следует рассмотреть режим работы системы ДВС — МГ в различных кинематических схемах гибридных транспортных средств. В системах с электромеханической трансмиссией, без буферного накопителя, МГ должен обеспечивать требуемую по условиям движения мощность ТЭД. Это означает, что момент МГ, являющегося нагрузкой ДВС, будет зависеть от частоты вращения.
электронные компоненты №11 2009
Рис. 2. Ниши применения буферных накопителей
Элек тропривод
18
рей и конденсаторов приведены на рис унке 2. Большинство имеющихся на рынке батарей имеет номинальное напряжение 12 В. Для того чтобы их сборка имела высокое номинальное напряжение, необходимо использовать последовательное соединение. Каждый тип батарей имеет свои преимущества и недостатки. Кадмий представляет опасность для жизни человека. Технология литиево-полимерных батарей пока находится в стадии эксперимента, и их количество на рынке ограничено. Исследователи продолжают разработку литиево-полимерных аккумуляторов с сухим твердым электролитом, работающим при комнатной температуре. Металлогидридные и никелевонатриевые батареи слишком большие и тяжелые и на их базе трудно создать достаточно мощную сборку для транспортного средства. Плотность энергии аккумуляторов Li-Ion обычно вдвое превышает плотность стандартных NiCd, а в перспективе, благодаря применению новых активных материалов, предполагается еще увеличить ее и достигнуть трехкратного превосходства над NiCd. Li-Ion-аккумулятор подвержен старению, даже если он не используется. По вполне очевидным причинам производители об этой проблеме умалчивают. Электрические накопители конденсаторного типа по принципу действия можно разбить на три группы:
– электронные конденсаторы с жидким или твердым диэлектриком; – суперконденсаторы, или двойнослойные конденсаторы, принцип действия которых основан на использовании емкости двойного электрического слоя, образующегося на границе электрод-электролит; – ионисторы, представляющие собой гибрид двойнослойного конденсатора и аккумулятора. Традиционные электронные конденсаторы с жидким и твердым полимерным диэлектриком, имеющие относительно низкую емкость, в качестве накопителей не используются. Высокие плотности энергии, позволяющие, в частности, использовать их в гибридных энергетических установках транспортных средств, имеют ионисторы с жидким электролитом. Активно разрабатываются конденсаторы с двойным электрическим слоем на основе волокнистых углеродных материалов (активированные и неактивированные ткани, металлизированные углеродные волокна). Среди гибридных накопителей отметим совместное использование АБ и суперконденсатора, что позволяет повысить как удельную энергоемкость, так и мощность такой системы. У АБ имеются следующие недостатки. 1. Характеристики разряда АБ снижаются при большой мощности. 2. Число циклов существенно зависит от мощности. При большой мощно-
сти разряда необходима частая замена батарей. 3. Плохо функционируют при низкой температуре. 4. Трудность заряда при рекуперации. 5. Они небезопасны, особенно при полном заряде или разряде. Суперконденсаторы характеризуются следующим. 1. Они выдерживают миллионы циклов. 2. Плотность мощности примерно на два порядка выше. 3. Работают в широком температурном диапазоне. 4. Недостаточно энергоемки. Учитывая всю совокупность факторов, определяющих выбор накопителя, прежде всего климатику и ресурс (эксплуатация без замены накопителя), для реализации рекомендуются промышленно выпускаемые суперконденсаторы и литиевоионные аккумуляторные батареи. У такой батареи для буферного накопителя гибридного автобуса следующие характеристики: – количество аккумуляторов — 240; – максимальное зарядное напряжение, В — 850; – минимальное разрядное напряжение, В — 720; – энергоемкость номинальная, кВт∙ч — 30,7; – энергоемкость в конце службы, кВт∙ч — 25; – энергоемкость при 70% DOD в конце службы, кВт∙ч — 17,5; – стоимость (с тестированием и подбором, комплектом силовых перемычек и конструктивом) — 2,5 млн руб. Отметим, что выбор буферного накопителя в последовательной схеме не влияет на параметры электромеханических устройств, что позволяет его проектировать и испытывать автономно по критериям дополнительной стоимости ДВС и буферного источника, требуемой пиковой мощности тягового привода и приемлемого уровня выбросов. Продолжение статьи читайте в следующем номере журнала.
События рынка | Топ-20 поставщиков чипов по итогам трех кварталов | Согласно данным аналитиков из IC Insights, 20 крупнейших компаний полупроводниковой индустрии в общей сложности отметили 19-% последовательный рост продаж в III кв. 2009 г. Похоже, рынок действительно пережил худшие времена и постепенно оправляется, ведь во II кв. подъем также составил 19%. Заметные темпы восстановления демонстрируют сегменты чипов памяти DRAM и NAND, что позволило Toshiba и Hynix поставить заказчикам, соответственно, на 30 и 31% больше продукции. Лидеры среди производителей памяти — Samsung Electronics, Toshiba, Hynix и Micron Technology — в общей сложности продемонстрировали 27% поквартальный рост. Если бы за основу рейтинга были взяты только результаты III кв., Freescale Semiconductor была бы смещена с последнего места японской Elpida Memory, чьи продажи в этот период увеличились на 38% до 1,025 млрд. долл. Ожидается, что по итогам текущего года объемы поставок вырастут у Samsung, Toshiba, Qualcomm и MediaTek, тогда как результаты остальных 16-ти игроков рынка уступят показателям 2008 г. В целом список не претерпел кардинальных изменений — большинство компаний сместилось на 1—2 позиции. Исключениями являются опустившаяся с 16-го на 20-е место Freescale Semiconductor, с 15-го на 19-е — NXP и поднявшаяся с 25-го на 17-е MediaTek, не имеющая собственных производственных мощностей. www.russianelectronics.ru
www.elcp.ru
Управление ориентацией поля в электроприводах 1 Кедар Годбоул (Kedar Godbole), инженер по применению, Texas Instruments Метод управления ориентацией поля в электроприводах с регулированием скорости вращения улучшает динамические параметры, позволяет выбрать оптимальный электродвигатель и улучшить эффективность системы. В статье описаны базовые принципы метода, построение схемы управления и применение цифровых сигнальных контроллеров для эффективной реализации системы. Статья представляет собой перевод [1].
Ограничения традиционного метода скалярного управления
Электродвигатели являются одним из основных потребителей электроэнергии (более половины электроэнергии, потребляемой в США), поэтому потенциальная экономия средств и энергии благодаря улучшению их характеристик весьма значительна. Большинство электродвигателей, используемых в приводах с регулированием частоты вращения, является асинхронными электродвигателями переменного тока. Скалярное управление основано на довольно простом принципе: для регулирования частоты вращения электродвигателя изменяются подаваемое напряжение и частота. 1
Для работы электродвигателя с различной частотой необходимо пропорционально изменять частоту трехфазного синусоидального тока и напряжение, приложенное к электродвигателю. Такие электродвигатели работают довольно эффективно на синхронной частоте вращения при номинальном значении падения напряжения на статоре. Например, для того, чтобы уменьшить рабочую скорость, скажем, вполовину от номинальной скорости для электродвигателя с питанием от сети 220 В/50 Гц и скоростью вращения 1500 об/мин, частота должна быть уменьшена до 25 Гц, а напряжение — до 110 В. Во многих приложениях желательно применять электропривод с регулируемой частотой вращения. Однако управление с постоянным отношением напряжения к частоте не обеспечивает точное совмещение магнитных потоков статора и ротора, во время быстрых переходных процессов могут возникать пульсации и выбросы тока. Используемый регулятор скорости может вызвать слишком сильное ускорение магнитного потока статора, что нарушает совмещение магнитного потока в электродвигателе. Это может несколько снизить мгновенный крутящий момент, а также уменьшить противо-ЭДС на обмотках электродвигателя, что приводит к возникновению бросков тока. При управлении без обратной связи асинхронный электродвигатель самостоятельно приходит в равновесное состояние. При управлении скоростью с обратной связью это может приводить к возникновению пульсаций тока и магнитного потока. Одним из способов избежать появления таких переходных процессов является ограничение возможности их генерации. Для этого следует перенастроить регулятор скорости так, чтобы ограничить его характеристики. Можно также использовать более крупный электродвигатель, обеспечивающий больший крутящий момент, хотя это приведет к необходимо-
сти соответствующего увеличения мощности преобразователя энергии. Основы управления ориентацией поля
Основная идея управления ориентацией поля заключается в управлении взаимодействием магнитных потоков с тем, чтобы избежать проблем, о которых говорилось выше, и оптимизировать характеристики электродвигателя. Для того чтобы понять принцип действия этого метода, рассмотрим вначале структуру электродвигателя. Трехфазный электродвигатель содержит обмотки, которые сдвинуты на 120˚ (или доли этого угла) вдоль статора. Подача на обмотку трех напряжений, сдвинутых по фазе на одну треть периода, генерирует вращающееся магнитное поле. Концептуальное представление этого механизма дано на рисунке 1. Ротор асинхронного электродвигателя состоит из замкнутой цепи. Наиболее часто используется ротор с «беличьей клеткой», который имеет проводящие стержни, соединенные с помощью колец с утолщением. Когда магнитное поле статора наводится на ротор, в цепи ротора возникает ЭДС и генерируется ток. Ток ротора создает свое магнитное поле, которое, взаимодействуя с магнитным полем статора, создает механическую силу, передаваемую на ротор. Взаимодействие сил
В результате формируется пара сил, поскольку сгенерированные механические силы являются разнонаправленными на противоположных сторонах ротора, что приводит к созданию крутящего момента на роторе. На рисунке 2 показано взаимодействие магнитных потоков. Созданный крутящий момент пропорционален величине магнитных потоков и синусу угла между ними. Это соотношение проиллюстрировано на второй диаграмме рисунка 2.
В статье оставлена терминология оригинала. В русскоязычной литературе чаще употребляется термин «векторное управление».
электронные компоненты №11 2009
19 элек тропривод
Введение
Приводы с регулированием скорости вращения для трехфазных электродвигателей являются широко распространенными компонентами промышленного оборудования, которые позволяют экономить энергию и оптимизировать системы. Традиционные скалярные методы управления частотой вращения трехфазных электродвигателей обеспечивают простую реализацию системы, однако ограничивают ее характеристики. При использовании скалярного электропривода недостатки алгоритма управления могут привести к тому, что для получения требуемых динамических характеристик необходимо выбирать электродвигатель большей мощности. Это снижает эффективность и увеличивает стоимость системы. Управление ориентацией поля (Field Oriented Control — FOC) позволяет преодолеть эту проблему за счет оптимизации характеристик электродвигателя, выбрать более компактные электродвигатели и приводы, снизить стоимость и повысить общую эффективность системы.
Для реализации базовых принципов управления ориентацией поля, т.е. сохранения требуемого взаимного расположения магнитных потоков статора и ротора, необходимо контролировать токи статора, которые генерируют магнитный поток. При величине угла близкой к 90˚ обеспечивается генерирование большего магнитного потока на единицу тока. Управление тремя синусоидальными токами является довольно сложной задачей, но нет необходимости контролировать все три тока. Задача упрощается при использовании преобразований Кларка и Парка для токов статора. Вначале выполняется преобразование Кларка из трехфазной системы в двухфазную, а затем перевод в систему координат ротора с помощью преобразования Парка. Обозначим мгновенные значения фазовых токов в статоре ia, ib и ic, соответствующие фазам a, b и c. Эти фазы можно рассматривать как три планарные системы координат. Конечно, в планарной системе есть только две степени свободы и возможны только два независимых вектора. Любая дополнительная величина может быть выражена как линейная комбинация. Преобразование Кларка переводит трехосную систему координат в двухосную ортогональную систему. Для этого преобразования используется формула: ,
где iα(t) и iβ(t) — проекции пространственного вектора тока на оси двухфазной стационарной системы координат; ia(t), ib(t), ic(t) — проекции пространственного вектора тока на оси трехфазной системы координат. Затем используется преобразование Парка для перевода стационарной системы координат в двухосную вращающуюся систему координат (id, iq). Исходные координаты d (магнитный поток) и q (крутящий момент) и система координат совмещают ось d с положением магнитного поля. Компоненты id и iq статорного тока определяются из следующих уравнений:
, где θ = ωt — значение угла поворота вращающейся системы координат с частотой ω. Это позволяет контроллеру формировать напряжения, которые нужно приложить к статору для задания векторов токов требуемой величины в системе координат ротора. Напряжение затем трансформируется с помощью обратных преобразований Парка и Кларка в импульс напряжения в 3-фазной системе координат статора, так что каждая фаза может быть возбуждена с помощью своего преобразователя напряжения.
элек тропривод
20 Рис. 1. Генерация вращающегося магнитного поля и крутящего момента в асинхронном электродвигателе
Рис. 2. Векторы магнитных потоков, крутящий момент и нагрузочный угол
www. elcp.ru
Регулировка токов id и iq с помощью ПИ-контроллера
В стационарном режиме токи id и iq практически постоянны, однако содержат пульсации, связанные с колебаниями нагрузки и крутящего момента, ложными срабатываниями и разбалансировкой. В таком режиме можно выполнять стабилизацию этих токов с помощью пропорционально-интегрального контроллера (ПИ-контроллера). Програм мно реализованный ПИ-контроллер осуществляет регулировку компонентов вектора мнимого тока статора, созданных крутящим моментом и магнитным полем. Блок регулятора скорости, в качестве которого может быть использован также ПИ-регулятор, формирует сигнал крутящего момента, необходимый для работы электродвигателя с заданной скоростью. Регулятор скорости на основе значений заданной и измеренной скорости генерирует сигнал крутящего момента. Если электродвигатель вращается со скоростью ниже заданной, ПИ-регулятор формирует сигнал, соответствующий большему крутящему моменту, чтобы увеличить его скорость, а если ниже заданной — сообщает меньший крутящий момент, замедляющий электродвигатель. Управление ориентацией поля оптимизирует систему
С помощью управления ориентацией поля можно также реализовать электрическое торможение. В этом случае энергия будет отбираться от нагрузки, а электродвигатель будет действовать как генератор, передающий энергию обратно в нагрузαку. Преобразователь энергии должен, конечно, поддерживать такой режим и использовать либо инвертор, отдающий мощность в электросеть, либо тормозной резистор (транзистор) для предотвращения неконтролируемого повышения напряжения на шине питания. В типовых промышленных приложениях, динамические характеристики которых улучшены с помощью управления ориентацией поля, разработчики также получают возможность подобрать оптимальные габариты электродвигателя и не использовать слишком мощные моторы там, где требуется минимизировать паразитные переходные процессы. Более компактный электродвигатель также работает с меньшей потребляемой энергией, что в конечном итоге обеспечивает более высокий КПД. Большинство типов промышленного оборудования использует асинхронные электродвигатели, поэтому общая экономия энергии приводит к значительному снижению затрат. Уменьшение энергопотребления может привести к
Рис. 3. Схема управления ориентацией поля
существенному снижению эксплуатационных расходов в любых промышленных предприятиях. Применение систем управления электродвигателем с программным конфигурированием также обеспечивает оптимальную подстройку системы для увеличения ее эффективности или многократного использования системы с различными типами электродвигателей. На рисунке 3 приведена схема управления ориентацией поля. Обеспечение повышенных требований по вычислительным ресурсам
элек тропривод
22
Управление ориентацией поля требует значительных вычислительных ресурсов процессора. Эти требования превышают возможности большинства микроконтроллеров общего назначения по программному выполнению алгоритмических функций. Высокопроизводительные процессоры с плавающей точкой обладают такими возможностями, однако они слишком дороги и применимы, поэтому, лишь для приложений, использующих наиболее крупные электроприводы с регулируемой скоростью вращения. Появление последних поколений сигнальных процессоров, оптимизированных для математических вычислений, таких как DSP, а также DSC, позволило сделать реализацию управления ориентацией поля значительно более дешевой и простой. Контроллеры на базе DSP, например TMS320F28x компании Texas Instruments, содержат процессорные ядра, оптимизированные для весьма сложных математических вычислений с производительностью 60…150 MIPS, и позволяют реализовывать преобразование системы координат и выполнять алгоритм управ-
www. elcp.ru
ления с высокой частотой выборки, что обеспечивает очень широкий диапазон токов управления. Подобное управление помогает решать такие задачи как обеспечение быстрого времени реакции сервопривода и очень точное управление переходными процессами. Шинная архитектура DSP обеспечивает эффективную передачу данных между высокопроизводительными однотактными процессорными ядрами с умножителями-аккумуляторами и периферией. Оптимизированные для систем управления DSP построены на базе мощных процессорных ядер и содержат необходимую периферию. Специализированные управляющие периферийные устройства, такие как ШИМ-модуляторы, коммуникационные порты и АЦП, позволяют разработчикам уменьшить число внешних компонентов и снизить стоимость системы. Встроенная память большого объема исключает необходимость применения внешней флэш-памяти или RAM, что дополнительно снижает стоимость и сложность системы. Раньше при реализации векторного управления на базе цифрового микропроцессора серьезной помехой для быстрой и эффективной разработки приложения была проблема записи ассемблерного кода при создании сложных алгоритмов и одновременное обеспечение требуемой производительности и размера кода. В настоящее время компиляторы для DSP практически не требуют создания ассемблерного кода, и большинство математических функций можно описать непосредственно в среде языка C. Производители DSP предлагают готовые C-библиотеки, обеспечиваю-
щие многие функции, которые требуются для векторного управления, такие как преобразования Парка и Кларка, ШИМ-модуляторы, цепи ПИ-контроллеров и др. Разработчикам систем управления электродвигателем нужно лишь незначительно модифицировать вручную код в соответствии с требованиями приложения, интегрировать необходимые модули и протестировать полученный код. Заключение
Следует сказать, что современные методы управления электродвигателем обеспечивают более точный контроль над всем процессом формирования крутящего момента, что улучшает динамические характеристики, позволяет выбрать оптимальный электродвигатель и улучшить эффективность системы. Реализация такой системы упрощается при использовании современных цифровых сигнальных контроллеров, которые способны выполнять интенсивные вычисления в режиме реального времени. Эти разработки позволяют создать более эффективные электроприводы с улучшенными характеристиками, по сравнению с электроприводами на основе традиционного скалярного управления. Производители конечного оборудования также используют дополнительную процессорную мощность DSP для реализации усовершенствованных функций в своих продуктах. Литература 1. Field oriented control reduces motor size, cost and power consumption in industrial applications, Kedar Godbole// www.industrialcontroldesignline.com.
КПД электродвигателя и коррекция коэффициента мощности Виктор Александров, техн. консультант, ИД «Электроника» В настоящее время вопросы повышения энергоэффективности электроприводов выходят на первый план в промышленных приложениях. В статье рассмотрены такие методы улучшения КПД электродвигателя как применение оптимальных алгоритмов управления и контроль коэффициента мощности (ККМ). Показано, что активная ККМ позволяет существенно улучшить энергоэффективность системы. Описаны различные варианты построения архитектуры выпрямителя и инвертора электродвигателя с активной ККМ и методы реализации алгоритмов управления с помощью DSP, ASSP и FPGA.
Коррекция коэффициента мощности в сети питания
Одним из вопросов, которые связаны с общей эффективностью электроприводов и часто не принимаются во вни-
мание разработчиками системы, является контроль коэффициента мощности. В странах ЕС требуется ККМ для источников питания номинальной мощностью более 75 Вт (согласно стандарту IEC 555), а также ограничение гармонических искажений сетевого тока, которые наводятся источниками питания (IEC/EN61000-3-2). Эти стандарты требуют контроля входного тока вплоть до 40-й гармоники линейной частоты. Асинхронные электродвигатели переменного тока с фиксированной скоростью вращения, подключенные непосредственно к сетевому напряжению, представляют собой индуктивную нагрузку для сети переменного тока. Для борьбы с низкой эффективностью таких электродвигателей на промышленных предприятиях часто включают компенсирующую емкостную нагрузку в питающую сеть. С помощью централизованного контроллера коэффициента мощности, работающего на базе измерения реактивного тока в момент включения и отключения электродвигателей на предприятии, можно автоматически подключать или отключать конденсаторы определенной емкости. Другим вариантом является использование ненагруженного электродвигателягенератора в качестве искусственного конденсатора, называемого синхронным компенсатором; обычно одно такое устройство используется для целого предприятия. Чем ближе находится компенсирующий конденсатор к электродвигателям, тем лучше, т.к. между индуктивной и емкостной нагрузками имеется реактивная составляющая тока. Заметим, что генерируемый производителем электроэнергии сетевой ток может иметь практически
резистивный характер, а реактивная его часть почти полностью скомпенсирована. ККМ в современных электроприводах
Несмотря на то, что современные электроприводы обеспечивают множество функций, у них имеется, по крайней мере, один недостаток. Для таких электроприводов простая схема емкостной ККМ не работает. Электроприводы, использующие контроллеры электродвигателей последнего поколения, выглядят для электрической сети как мощные AC/ DC-источники питания. Без ККМ они представляют собой существенную нелинейную нагрузку. Если посмотреть на блок-схему электропривода (см. рис. 1), станет ясно, почему это так. Силовая электроника электропривода обычно состоит из двух основных частей: выпрямителя, который преобразует входное переменное напряжение сети в постоянное напряжение промежуточной шины питания, и инвертора, который преобразует постоянное напряжение шины в рабочую частоту и переменный ток. Во многих отношениях эти два блока дублируют друг друга: один блок эффективно преобразует переменный ток в постоянный, другой — постоянный в переменный. Суммарные энергетические потери этих двух блоков, которые фактически осуществляют преобразование из переменного напряжения в переменное напряжение с другими параметрами, превышают выигрыш в эффективности за счет оптимального контроля над фазой магнитного поля и регулирования скорости вращения электродвигателя.
электронные компоненты №11 2009
23 Элек тропривод
Возможная экономия электроэнергии от повышения КПД электродвигателей во всем мире чрезвычайно высока. Совсем недавно (в марте 2009 г.) в ЕС были разработаны обязательные «Стандарты на минимально допустимую энергоэффективность» (Minimum Efficiency Performance Standards — MEPS), которые будут введены в действие в период с 2011 по 2017 гг. Повышение КПД электродвигателей может быть достигнуто несколькими путями. Первый из них связан с самим электродвигателем, в котором усовершенствована конструкция и используются материалы с улучшенными свойствами. Другой метод заключается в оптимизации угла между вращающимися магнитными полями в электродвигателе, что достигается с помощью усовершенствованных алгоритмов управления электродвигателем, например за счет пространственновекторного управления, или управления ориентацией поля. Такой метод обеспечивает оптимальный угол (как правило, около 90°) между магнитными полями ротора и статора электродвигателя при различных скоростях и крутящих моментах. Благодаря таким алгоритмам можно улучшить и другие динамические характеристики электродвигателя. Одним из самых значительных преимуществ новых алгоритмов управления является эффективное регулирование частоты вращения электродвигателей, которое позволяет сэкономить большую часть потребляемой мощности.
Рис. 1. Блок-схема современного электропривода
Рис. 2. Выходной ток выпрямителя без ККМ содержит большое число высших гармоник
Элек тропривод
24
Почти все однофазные AC/DC-пре образователи имеют на входе двухполупериодный мостовой выпрямитель и накопительный конденсатор большой емкости, который поддерживает постоянное напряжение между пиковыми значениями половины периода входного синусоидального напряжения. Независимо от величины емкости, напряжение на конденсаторе слегка падает во время полупериода, поэтому с приходом следующего пика мост выпрямителя начинает проводить ток и разряжает конденсатор. Ток заряда конденсатора протекает, только когда входное напряжение больше напряжения на конденсаторе; когда оно меньше, выпрямитель выключается, и ток практически не протекает. В результате ток не является синусоидальным, как показано на рисунке 2. Низкий коэффициент мощности, вызванный присутствием высших гармоник тока, вызывает проблемы для компаниипроизводителя электроэнергии. Гармоники приводят к искажению сигнала напряжения и даже могут вызвать разрушительный резонанс в электрической сети. Коэффициент мощности для такого выпрямителя может быть всего 0,5…0,6. Подобная ситуация возникает и в случае 3-фазной сети питания, однако в этом случае выпрямительный мост имеет шесть диодов вместо четырех и шесть фазовых пиков за период вместо двух. Для систем малой мощности (менее 100 Вт) можно использовать пассивную коррекцию коэффициента мощности. В маломощных приложениях КПД электродвигателей с пассивной коррекцией может быть довольно высоким (например, 96%). В таких системах между входом сети переменного тока и мостовым выпрямителем включается фильтр низких частот, обычно состоящий из катушки индуктивности, конденсатора и резистора. В результате большая часть тока вытекает из электрической сети на частоте линии в полосе пропускания фильтра. Гармоники частоты линии несколько снижаются, и форма токового сигнала сглаживается. Для систем управления электродвигателями в общем случае пассивная ККМ не обеспечивает оптимальные характеристики из-за сравнительно невысокого полученного значения коэффициента мощности (обычно около 0,75) и больших размеров компонентов для мощных приложений. Активная коррекция коэффициента мощности
Рис. 3. Усовершенствованный выпрямитель с активной коррекцией коэффициента мощности потребляет из сети ток, синфазный с напряжением сети
www.elcp.ru
Активная коррекция может обеспечить весьма высокий коэффициент мощности (0,98 и выше) при прием-
Эффективность выпрямителя с ККМ
Конфигурация повышающего импульсного стабилизатора с коррекцией коэффициента мощности может быть очень эффективной. Несмотря на то, что входной ток шунтируется на землю во время первой фазы, теряется небольшое количество энергии из-за того, что падение напряжения на низкоомном ключе мало. Наибольшая часть энергии расходуется на формирование магнитного поля, и эта энергия восстанавливается и передается на конденсатор во время второй фазы. Несмотря на то, что на диодах напряжение может несколько падать, для высоковольтных схем они не имеют особого значения. В случае их существенного влияния диоды можно заменить на транзисторы (MOSFET или IGBT) с меньшим значением напряжения включения, чем у диодов. С помощью контроллера транзисторы включаются в определенное время (а именно, когда напряжение на них переходит через ноль, подобно тому, как включался бы идеальный диод). Незначительные потери энергии наблюдаются во время переключения, когда транзистор еще полностью не включен или еще полностью не выключен; поэтому для каждого короткого отрезка времени переключения потери определяются величиной I2R. Кроме того, каждый рабочий период потери динамической энергии составляют CV 2; они вызываются зарядом и разрядом емкости затвора транзистора. Катушка индуктивности может иметь I2R-потери из-за постоянного сопротивления обмоток. Часто для минимизации динамических потерь, обеспечения более высокого тока и решения проблемы насыщения используется тороидная катушка без сердечника. Накопительный конденсатор
должен иметь низкое последовательное сопротивление и быть надежным в условиях высокого тока переключения. Как и в любом импульсном источнике питания, все эти потери можно уменьшить за счет оптимизации схемы и тщательного выбора компонентов. Усовершенствование базовой архитектуры
Базовую архитектуру активной ККМ, о которой говорилось выше, можно усовершенствовать различными способами. Например, ее можно адаптировать для питания от 3-фазной сети. Простой двухполупериодный выпрямитель для 3-фазного входа состоит из шести выпрямительных диодов, вместо четырех в однофазном выпрямителе. К сожалению, трудно получить высокий коэффициент мощности, используя только диоды, т.к. они проводят только половину периода синусоидального тока при наивысшем значении мгновенного напряжения. Для достижения более высокого коэффициента мощности синусоидальный ток полуволны должен протекать через все шесть ветвей входного моста при корректном соотношении фаз. Один способ решения этой проблемы заключается в использовании переключающего транзистора вместо шести диодов и управление им с помощью ШИМ-контроллера, который гарантирует протекание тока на каждой фазе. Другой дополнительной функцией для системы выпрямителя/инвертора является обеспечение режима динамического торможения двигателя, или режима регенерации. В этом режиме инвертор отбирает ток от электродвигателя, который работает в генераторном режиме, в накопительный конденсатор, увеличивая напряжение шины постоянного тока. Одним из простых методов предотвращения выхода постоянного напряжения шины из режима стабилизации является выброс избыточного тока в резистивную нагрузку за счет еще одного ШИМ-контроллера. В зависимости от величины момента, приложенного к электродвигателю, избыточная энергия может быть весьма существенной. Она теряется впустую и может приводить к выделению значительного количества тепла. Более сложным решением является модификация выпрямителя таким образом, чтобы он отдавал энергию в сеть переменного тока. Вместо потребления тока от электросети синфазно с напряжением на каждой фазе, контроллер выпрямителя возвращает ток в сеть, инвертируя фазу тока так, чтобы он был в противофазе с входным напряжением. Даже после инвертирования тока необходимо, чтобы коэффициент мощности имел приемлемую величину. Другими словами, ток должен быть синусоидальным, иметь точно противоположную фазу (не быть реактивным) и содержать мало гармоник. Он должен быть подобен току, который протекал бы при нагрузке
25 Элек тропривод
лемых размерах компонентов, хотя энергоэффективность может быть немного ниже, чем при пассивном методе коррекции (94% вместо 96%) из-за дополнительных переключающих компонентов. В одной из самых простых архитектур активной коррекции — схеме с катушкой индуктивности — между выпрямительным мостом и конденсатором помещается ключевой транзистор (MOSFET или IGBT) и диод в конфигурации повышающего импульсного источника питания (см. рис. 3). Повышающий AC/DC-преобр аз ов ат ель действует на основе следующего принципа: постоянное напряжение промеж уточной шины выбирается выше, чем пиковое напряжение выпрямительного моста, поэтому импульс ный контр оллер работает в режиме повышения напряжения. Управляющий ключом Q контроллер регулирует рабочий цикл сигнала управления ключа так, чтобы поддерживать требуемый уровень тока и напряжения. Частота переключения выбирается намного выше частоты сети (скажем, 20 кГц). Небольшие пульсации тока на частоте переключения и гармоники тока можно отфильтровать с использованием пассивного фильтра на сетевом входе, подобно пассивной ККМ, однако это достигается значительно проще, т.к. пульсации тока меньше по амплитуде и выше по частоте. Величина тока, вытекающего из сети переменного тока, контролируется так, чтобы кратковременный средний ток был синфазным с синусоидальным напряжением сети. Таким образом, ток через катушку приблизительно равен синусоидальному току полного периода, плюс-минус частотные компоненты тока. Средняя амплитуда выпрямленного тока полной волны контролируется в течение длительного периода времени, так что постоянное напряжение шины стабилизируется на заданной величине. Это означает, что средний ток, текущий от выпрямителя и катушки индуктивности (когда транзисторный ключ выключен), должен соответствовать среднему току, вытекающему из инвертора и электродвигателя.
электронные компоненты №11 2009
зисторов повышающе-понижающего выпрямителя. Реализация контроллера
Рис. 4. Повышающе-понижающий 3-фазный выпрямитель с возможностью регенерации
Рис. 5. Блок-схема алгоритма управления повышающе-понижающего 3-фазного выпрямителя
Элек тропривод
26
в виде идеального отрицательного резистора. При таких условиях синусоидальный, не совпадающий по фазе ток, который поступает в электросеть во время торможения, может быть использован другими потребляющими синфазный ток устройствами, что снижает локальное потребление энергии в сети. Если другая потребляющая нагрузка отсутствует, измеритель мощности работает в обратном направлении, т.е. энергия возвращается в сеть. Заметим, что в конфигурации для динамического торможения с 3-фазной сетью переменного тока выпрямитель выглядит почти как инвертор. Он действительно поддерживает оба режима: когда энергия потребляется из сети в шину постоянного тока (режим выпрямителя) и когда она передается из шины постоянного в сеть переменного тока (режим генератора, или инвертора). Простой представленный выше повышающий ключ не способен выполнять все эти операции. Для решения таких задач применяется более сложная архитектура, например повышающе-понижающий 3-фазный выпрямитель с возможностью регенерации (см. рис. 4). Еще одним вариантом архитектуры является использование одного мощного выпрямителя для обеспечения
www.elcp.ru
DC-питанием множественных нагрузок, включая несколько инверторов, управляющих асинхронными двигателями. Алгоритмы управления
Многие алгоритмы, применяемые в современных системах управления электродвигателями, используют сдвоенное управление выпрямителем (dual-in rectifier control). В результате реализуются системы, которые требуют одни и те же типы компонентов почти одинаковой сложности (по крайней мере, системы высокого класса) как для инверторов электродвигателей, так и выпрямителей с ККМ. На рисунке 5 изображена блоксхема контроллера, который использует прямую связь по нагрузке для обеспечения быстрой реакции при ее изменении благодаря мониторингу колебаний постоянного напряжения шины из-за различных режимов работы электродвигателя. Блоки преобразования abc/dq и dq/abc (см. рис. 5) осуществляют прямое и обратное преобразование между вращающейся 3-фазной системой координат, синхронизированной с напряжением сети переменного тока, и стационарной системой координат, где применим пропорционально-интегральный закон управления. Модуль ШИМ управляет затворами семи ключевых тран-
Простую систему ККМ, как и простую схему управления электродвигателем, можно реализовать несколькими методами. Один из самых распространенных способов — использование недорогого микроконтроллера (МК), которого обычно достаточно для двигателя постоянного тока и шагового двигателя или для простого однофазного повышающего стабилизатора. Некоторые компании предлагают микросхемы для специализированного применения (application specific standard product — ASSP), способные решать специфические задачи коррекции коэффициента мощности. Системы среднего класса, такие как контроллеры для средних скоростей, можно реализовать с помощью одного из микроконтроллеров на базе DSP, предназначенного для управления электродвигателем. Эти чипы часто содержат специальные функции и блоки для поддержки электродвигателя, такие как измерители тока, компараторы и специализированные ШИМмодули. Эти устройства адаптируются и для применения в выпрямителях среднего класса. Если к системе предъявляются более высокие требования, МК на базе DSP не всегда могут справиться с задачей управления. Большинство DSP являются достаточно гибкими устройствами, но по своей природе они представляют собой последовательный конечный автомат, который выполняет лишь ограниченный объем вычислений за один тактовый цикл. Поскольку алгоритмы усложняются, частота выборки растет, и требуется более высокий уровень интеграции, то решения на базе DSP становятся либо нереализуемыми, либо слишком дорогими. В этом случае идеальным решением является применение FPGA смешанного сигнала. Эти устройства обеспечивают множество специальных аналоговых функций (например, измерение тока), требуемых как для управления электродвигателем, так и для работы выпрямителя, а также содержат конфигурируемую матрицу логических элементов. В отличие от DSP, эти устройства могут выполнять множество вычислений параллельно, среди которых такие виды специализированных вычислений как расчет синусов и косинусов. Кроме того, FPGA потребляют заведомо меньше мощности, чем любой вид МК, выполняющих ту же функцию. Это объясняется тем, что лишь малая часть микроконтроллеров предназначена
датчиков обратной связи (энкодеры, датчики на эффекте Холла, тахометры и т.д.), а также для реализации алгоритмов без датчиков на основе измерения противо-ЭДС электродвигателя. FPGA смешанного сигнала позволяют значительно увеличить степень интеграции изделия. Одним из примеров такого рода служит реализация почти всех функций управления как для выпрямителя с высоким коэффициентом мощности, так и для инвертора управления электродвигателем на одном устройстве, включая многие другие функции. Другим распространенным приложением может быть включение более одного контроллера электродвигателя в один кристалл. Это было бы идеальным решением для многоканального электропривода, в котором один выпрямитель питает два и более инвертора электродвигателя. В устройстве на базе FPGA смешанного сигнала может быть достигнута более высокая частота выборки для высокоточных приложений с широким динамическим диапазоном. Заключение
Модернизация электродвигателей и контроллеров для их управ-
ления позволяет существенно улучшить энергоэффективность системы в целом. В современных системах управления электродвигателями активная коррекция коэффициента мощности фактически является одним из обязательных требований, т.к. без нее электродвигатели представляют собой нелинейную нагрузку для сети переменного тока. Во многих странах появились стандарты, требующие применения не только более эффективных электродвигателей, но и усовершенствованных методов ККМ и снижения уровня гармоник в сетевом токе. В то время как системы управления электродвигателями низкого и среднего класса могут сравнительно хорошо работать на базе микроконтроллеров, DSP и ASSP, для более совершенных алгоритмов и высокого уровня интеграции оптимальным решением является применение FPGA смешанного сигнала.
Литература 1. Richard Newell. Electric motor efficiency depends upon power factor. Part 1, Part 2// www.industrialcontroldesignline.com. 2. Power Factor Correction and Harmonic Control for DC Load. PQSoft Case Study.
электронные компоненты №11 2009
27 Элек тропривод
для вычислений; большая часть мощности этих устройств расходуется на пересылку данных, вызов следующей команды и т.д. FPGA смешанного сигнала сочетает лучшие свойства двух видов устройств: программно-управляемый МК в программной или аппаратной реализации может быть совмещен с логикой, предназначенной для выполнения некоторых специализированных задач управления. Еще одним интересным свойством FPGA является то, что эти устройства полностью включают в себя процессор, тогда как DSP, ASIC и ASSP не могут полностью включать в себя конфигурируемую логику. FPGA обеспечивают высокую гибкость при разработке приложения. Например, если какой-либо алгоритм требует дополнительного модуля ШИМ, его можно без труда добавить в систему на базе FPGA. ШИМ-модуль, встроенный в DSP или ASSP, может либо не выполнять требуемый для конкретного приложения алгоритм, либо не учитывать особенности существующей схемы питания. С помощью FPGA ШИМ-модуль можно сконфигурировать точно под требования приложения. FPGA можно адаптировать для работы почти со всеми типами
Применение FPGA в промышленных системах управления электроприводом Виктор Ежов, научный редактор ИД «Электроника» Ежедневно в мире производится более 20 млн. электродвигателей или более 7 млрд. в год. По оценкам экспертов, электродвигатели потребляют более 50% всей производимой энергии в США, поэтому задача создания высокоэффективной системы управления электроприводом является очень важной. В статье обсуждаются особенности построения эффективных систем управления электродвигателями с использованием FPGA, возможности применения FPGA в промышленных сетях и вопросы выбора оптимальной системы управления электроприводом. Введение
В промышленности широко используются системы управления движением на базе микроконтроллеров (МК) и цифровых сигнальных процессоров (DSP), которые обеспечивают построение гибкой и высокопроизводительной системы. Следующим шагом в развитии электропривода станет, по всей видимости, применение FPGA в системах управления. Пользователи оборудования осознают увеличение стоимости энергии и влияние технологических процессов на окружающую среду, поэтому постоянно растут требования к устройствам, использующим электродвигатели, вводятся новые стандарты, например, Energy Star и др. Одним из путей решения проблемы является применение интеллектуальных систем управления нагрузкой и скоростью электродвигателя, что позволит увеличить КПД электроприводов малой мощности на 14—30%. Система управления электродвигателем
Элек тропривод
28
Структурная схема системы управления электроприводом (СУЭ) показана на рисунке 1. В СУЭ для определения положения ротора и его скорости часто используются датчики на эффекте Холла или внешние оптические кодеры положения, сельсины или датчики магнит-
ной индукции. Каждый из этих датчиков использует различные схемы включения и, следовательно, требует построения особых интерфейсов для приема и преобразования сигналов в формат, необходимый для цифровых систем управления. В случае применения детекторов противо-ЭДС, сельсинов, резистивных датчиков положения и некоторых других датчиков требуется АЦП. Кроме того, во многих приложениях требуется согласование и кондиционирование сигналов (например, фильтрация). Скорость, вращающий момент и направление вращения электродвигателя управляются модулированным напряжением на обмотках электродвигателя. В ШИМ-системе управления направление вращения и скорость определяются последовательностью импульсов напряжения, приложенного к обмоткам электродвигателя. Интерфейс пользователя системы управления электродвигателя позволяет формировать команды инициализации, конфигурирования и контроля логики управления. Он может быть достаточно простым (например, схема регулировки скорости вращения) или довольно сложным (контроль напряжения, тока и температуры). Существует много различных типов электродвигателей переменного тока, для каждого из которых имеются специальные методы управления, датчики,
Рис. 1. Основные элементы системы управления электродвигателем
www. elcp.ru
силовые каскады и алгоритмы работы. Поэтому разработка универсального конфигурируемого и высокоинтегрированного контроллера, который поддерживает широкий набор технологий управления электродвигателя, является весьма актуальной задачей. Такое решение сможет снизить затраты, улучшить характеристики и повысить энергоэффективность. Факторы, влияющие на эффективность электроприводов
Потери энергии в электроприводе можно минимизировать с помощью интеллектуальной СУЭ. Важным фактором, влияющим на эффективность электроприводов переменного тока, является несогласованная нагрузка. Электродвигатели данного типа достигают максимальной эффективности при работе на полную номинальную нагрузку, однако такой режим работы встречается редко. Весьма часто разработчики выбирают более мощные электродвигатели, чем требуется для данного приложения. И даже если мощность электродвигателя выбрана так, чтобы он работал с номинальной нагрузкой, на практике он часто может работать с меньшей, т.е. менее эффективной нагрузкой. Например, эскалатор, мощность электродвигателя которого выбирается из расчета максимального количества пассажиров, большую часть времени перемещает сравнительно небольшое их количество, что снижает эффективность и вызывает потери энергии. С помощью СУЭ можно осуществлять интеллектуальный и непрерывный контроль нагрузки и согласовывать ее с подводимой мощностью. По сущест ву, система управления подстраивает параметры электродвигателя так, чтобы он всегда работал при номинальной нагрузке.
Существует несколько возможных решений построения системы цифрового управления электродвигателем. Одним из вариантов является использование специализированного цифрового сигнального процессора (DSP), однако он может быть довольно дорогим и, кроме того, обычно требует дополнительных аналоговых компонентов и подсистем управления. Другой возможностью является использование микроконтроллеров, которые содержат, по крайней мере, некоторые из требуемых аналоговых блоков, например АЦП. Преимуществом МК является их сравнительно невысокая стоимость (1—2 долл. для промышленных приложений), однако их тактовая частота составляет 10…50 МГц, что ограничивает скорость ШИМ. Кроме того, каждый МК имеет встроенные аналоговые блоки и обеспечивает ширину полосы для управления лишь одним электродвигателем. Следовательно, в робототехнических приложениях, содержащих несколько электродвигателей, может понадобиться несколько МК, часть из которых управляет интерфейсом пользователя и коммуникациями, что увеличивает стоимость системы. По сравнению с МК, FPGA смешанного сигнала стоимостью 5 долл. содер-
жит достаточное количество аналоговых блоков и подсистем цифровой обработки для одновременного управления несколькими электродвигателями (см. рис. 2). Кроме того, тактовая частота этих компонентов составляет 250…300 МГц, а цифровая часть FPGA может быть использована для обработки данных с массовым параллелизмом при реализации алгоритмов управления. К тому же, в случае применения FPGA смешанного сигнала часть цифровых ресурсов микросхемы можно использовать для реализации микропроцессорного ядра, например оптимизированного ARM Cortex-M1. Кроме управ-
ления пользовательским интерфейсом и коммуникациями, это ядро можно использовать для контроля и точной регулировки аналоговых компонентов «на лету». Использование FPGA смешанного сигнала с программным процессором позволяет строить схему управления электродвигателя без датчиков тока, что снижает стоимость системы. В дополнение к мониторингу напряжения на шине, токов и скорости электродвигателя процессор Cortex-M1 в FPGA смешанного сигнала способен также выполнять диагностику и управлять интерфейсом пользователя. Способность
29 Элек тропривод
Микроконтроллеры, DSP или FPGA?
Рис. 2. FPGA смешанного сигнала содержит аналоговые блоки и системы цифровой обработки для одновременного управления десятью и более электродвигателями
электронные компоненты №11 2009
осуществлять диагностику и оперативно реагировать на возникающие проблемы значительно уменьшает вероятность аварии и повышает долговечность электродвигателя, что снижает затраты при эксплуатации оборудования. Применение FPGA в промышленных сетях
Эффективность СУЭ в промышленности во многом зависит от быстродействия и гибкости промышленных сетей. Одним из типов таких сетей является промышленный Ethernet — Industrial Ethernet (IE) — быстро развивающаяся технология, которая внедряется все более широко. Существует много стандартов IE (более 20), каждый из которых предлагает различные решения проблем, связанных с промышленными сетями. Создание новых систем, использующих IE, выполняется довольно просто и быстро за счет применения недорогих стандартных разъемов, поддержки длинных линий связи (до 100 м) и возможности «горячего» подключения. Однако производители электроприводов сталкиваются с проблемой выбора протокола IE. Для заказчика важно иметь возможность осуществлять поддержку нескольких стандартов IE с минимальными издержками. Очевидным решением этой проблемы является разработка заказных плат расширения (для каждого стандарта IE) или использование в контроллере многопротокольной заказной интегральной схемы (ASIC). Однако из-за большого числа стандартов (которые к тому же постоянно развиваются) и из-за того, что ASIC быстро устаревает (т.к. появляются версии с поддержкой новых или измененных стандартов), производители вынуждены финансировать разработку новых продуктов, которые способны поддерживать изменения. Такое реше-
Элек тропривод
30
Рис. 3. Снижение стоимости за счет интеграции компонентов системы в FPGA
www. elcp.ru
ние является затратным, особенно при длительном сроке службы промышленного оборудования. По сравнению с таким подходом, использование платы, содержащей недорогую микросхему FPGA и трансиверы Ethernet PHY, позволяет осуществлять поддержку (с помощью соответствующих аппаратных и программных IP-блоков) любого стандарта IE. К тому же, поскольку FPGA является программируемым устройством, его можно легко переконфигурировать для поддержки любого нового протокола, что может быть сделано в любое время, даже если устройство уже установлено в производственном оборудовании. Это позволяет системным разработчикам без труда программно поддерживать новые протоколы IE (или новые версии текущих протоколов) и использовать существующее оборудование предприятия. Поддержка оборудования, находящегося в эксплуатации, осуществляется очень просто — устанавливается подходящая конфигурация FPGA, которая поддерживает данную версию протокола IE, и устройство готово к подключению к системе. Реализация протокола IE на основе недорогой FPGA может быть менее затратной и обеспечивать меньшую потребляемую мощность, чем на основе многопротокольной ASIC. Таким образом, FPGA можно с успехом использовать в системе коммуникации на промышленном предприятии, но каким образом можно использовать эти устройства для снижения стоимости систем электропривода? Интеграция снижает стоимость
Вычислительные ресурсы сейчас сравнительно недороги, в то время как другие функции и компоненты системы вносят весомый вклад в ее общую стоимость. Например, стоимость запатентованной ASIC для промышленной сети, а также разъемов и кабелей может намного превышать стоимость центрального процессора или DSP. Это — одна из причин, по которой протокол IE становится все более популярным. Использование FPGA позволяет интегрировать все необходимые узлы цифровой логики и интерфейсы в системе электропривода. Интерфейсы ШИМ, I2C и SPI могут быть легко реализованы в FPGA, так же как цифровые кодеры электродвигателей и интерфейсы АЦП. Более сложные интерфейсы, подобные PCI, PCI Express и Serial Rapid IO также доступны как готовые IP-блоки. FPGA можно использовать для поддержки других протоколов, например CAN, Profibus и т.д. Если в процессе проектирования системы разработчику потребуется добавить еще один интерфейс ввода/вывода или дополнительный
блок обработки, то это можно сделать с помощью FPGA. Кроме того, в FPGA возможна реализация программных процессоров, например 32-разрядного ядра Nios II. Это значит, что с помощью FPGA можно выполнять такие функции как пакетная обработка протокола IE, обработка данных от датчиков, генерирование данных для LCD-дисплея и даже обслуживание данных через интернет. Разработчикам промышленных систем это позволяет интегрировать важные блоки в отдельной микросхеме FPGA и снизить габариты и стоимость печатных плат (см. рис. 3). Дополнительным преимуществом является то, что интеграция обеспечивает снижение энергопотребления системы и исключает применение вентиляторов. Использование цифровых датчиков
Многие промышленные системы используют аналоговые сигналы между датчиками/кодерами и контроллерами. В условиях промышленного производства на сигнальные линии наводятся помехи, особенно если контроллер расположен на большом расстоянии от устройства, которым он управляет. Одним из путей борьбы с помехами является передача сигнала в цифровом формате, что означает преобразование или даже формирование цифровых данных на удаленном объекте. Интерфейсы кодеров EnDAT и BiSS и сигма-дельта АЦП — примеры устройств, на выходе которых формируется цифровой сигнал. Это не только исключает помехи при передаче данных, но и обеспечивает другие преимущества, например, передачу данных о температуре электродвигателя по той же линии, что и данных о позиционировании кодера, а также более низкий шум квантования в сигма-дельта АЦП. В традиционных системах, использующих DSP или МК, такие цифровые датчики требуют применения сельсина для преобразования данных обратно в аналоговую форму для считывания их встроенным в чип АЦП. В отличие от этого, FPGA способны принимать сигнал в цифровой форме без использования внешнего сельсина и аналогового интерфейса, что снижает стоимость системы. Гибкость FPGA позволяет разработчику добавлять столько интерфейсов различного типа, сколько требуется в проекте, и благодаря этому становится возможной разработка специализированной системы на одном кристалле. Возможность построения открытой системы
Гибкость и низкое энергопотребление, которое достигается сочетанием протокола IE и использованием FPGA, также обеспечивают возможность
Рис. 4. Сравнение традиционной распределенной системы управления электроприводом (вверху) с централизованной системой на базе IPC/PLC и Ethernet реального времени (внизу)
ростное соединение с малым временем ожидания между контроллером привода и отдельным промышленным PC. Это помогает решить проблему ограниченного количества портов ввода/вывода и позволяет разработчику обеспечить управление многими электроприводами и датчиками с помощью одного процессора. Такие специфические операции как контроль тока и скорости вращения электродвигателя могут выполняться локально непосредственно на электроприводе. Аппаратно это может быть легко реализовано с помощью FPGA, причем время выполнения даже самых сложных алгоритмов может не превышать 100 нс. Это снижает нагрузку на промышленные компьютеры (IPC), программируемые логические контроллеры (PLC) и сеть IE по передаче и обработке низкоуровневых данных, а также высвобождает системные ресурсы для решения задач высокого уровня, например контроля скорости и положения (см. рис. 4). Таким образом, комбинация быстрого протокола IE и FPGA позволяет IPC поддерживать высокопроизводительную систему с обратной связью для управления несколькими электродвигателями. Конечному пользователю это обеспечивает доступ к алгоритмам управления, реализуемым на IPC, и, следовательно, создает открытую систему с возможностью полного контроля.
Заключение
Планы развития систем управления движением должны предусматривать не только достижение лучшей производительности, но и снижение ее стоимости и времени ввода в действие. Ввиду ограниченных возможностей реализации и неспособности быстро адаптироваться к новым технологиям традиционные решения на базе МК и DSP вынуждены конкурировать с новыми решениями, появляющимися на рынке. Использование FPGA позволяет быстро реагировать на изменения технологий и улучшать характеристики как на уровне электропривода, так и системы в целом. Последние поколения FPGA отвечают требованиям по снижению затрат на реализацию системы управления и уменьшению потребляемой мощности. Из-за простоты и гибкости систем на базе FPGA многие производители уже используют эти приборы в оборудовании сетей промышленного Ethernet, а в перспективе производители оборудования будут еще шире использовать возможности FPGA, чтобы обеспечить новые функции систем управления электроприводов. Литература 1. DSPs, MCUs, or mixed-signal FPGAs for motor control? Make the choice, Mike Thompson// www.automotivedesignline.com 2. Moving motion control technology to FPGAs, Stefano J. Zammattio//www.pldesignline.com
электронные компоненты №11 2009
31 Элек тропривод
построения открытой системы электропривода. Тенденция создания интеллектуальной системы электропривода стала следствием удешевления вычислительных ресурсов, но вместе с тем это означает и существенное усложнение самого электропривода: требуется детальное моделирование работы электродвигателей и использование собственного программного обеспечения. В результате для пользователя оказываются недоступными отдельные технологии — в некоторых электроприводах используются до одной тысячи параметров, и их адаптация к требованиям приложения становится весьма затруднительной. К тому же, фирменные модели не позволяют применять электродвигатели других производителей, что затрудняет проектирование недорогих систем, адаптированных к требованиям заказчика. Системы управления движением можно разделить на два типа: централизованные и распределенные. Централизованная система состоит из многих электродвигателей и датчиков, подсоединенных к отдельному контроллеру, что обеспечивает невысокую стоимость и возможность удобного управления всей системой. С появлением недорогих промышленных персональных компьютеров (IPC) популярность этого типа приложений увеличивается, однако она ограничивается вычислительной мощностью и интерфейсами ввода/вывода одного контроллера (или IPC). В распределенной системе каждый электродвигатель имеет специальный процессор для локального управления движением. Этот подход более дорог и требует излишних затрат вычислительных ресурсов, однако при этом появляется возможность построения крупных систем, поскольку нет существенных ограничений по взаимодействию между контроллером и объектом управления. Зачастую наиболее простой путь реализации такой системы — использование промышленного компьютера в сочетании с синхронизированной системой управления, например, по протоколу IEEE1588. Это еще более повышает стоимость системы и увеличивает неэффективные затраты вычислительных ресурсов. Оптимальным вариантом является сочетание низкой стоимости и высокого уровня управления централизованной системы с возможностью масштабирования и высоким быстродействием электроприводов в децентрализованной системе. На сегодня это может быть достигнуто при использовании высокопроизводительных протоколов IE реального времени (например, EtherCAT, SERCOS III, PROFINET IRT и т.д.). С помощью этих протоколов возможно высокоско-
Семейство драйверов шаговых двигателей AMIS-30xxx от ON Semiconductor Ирина Ромадина, менеджер по продукции ON Semiconductor, «Компэл» Шаговые двигатели в настоящее время имеют широкий ряд применений. Они используются в механических приводах многих устройств, таких как компьютерная периферия, видео- и цифровые камеры, автомобильные зеркала, камеры охранного наблюдения, текстильное оборудование, системы жизнеобеспечения и т.д. До недавнего времени компания ON Semiconductor не производила микросхемы драйверов биполярных шаговых двигателей, которые могли бы составить конкуренцию известным производителям — Allegro Microsystems, STMicroelectronics, TI, Toshiba, Infineon и др. Ситуация изменилась после того, как ON Semiconductor приобрела в декабре 2007 г. компанию AMI Semiconductor (AMIS), широко известную разработкой и производством заказных и специализированных ИС для автомобильного, медицинского и промышленного секторов рынка. Продукция этой фирмы характеризуется высоким качеством и уровнем интеграции аналоговой и цифровой технологий. Разработки AMI Semiconductor сохранили свой индекс в названиях — AMIS, но теперь выпускаются под брендом ON Semi. Одной из удачных разработок компании в 2005 г. стала серия драйверов для шаговых двигателей AMIS-30xx. По сути, она ознаменовала очередной этап эволюции архитектуры и технологии драйверов шаговых двигателей (ШД). Для того чтобы по достоинству оценить уровень разработок AMIS, рассмотрим процесс эволюции микросхем для ШД от различных производителей. Начало внедрения шаговых двигателей
Шаговые двигатели были разработаны в начале 1960 гг. как более дешевая альтернатива позиционным сервоприводам для применения на растущем рынке периферийных компьютерных устройств. Главное преимущество ШД — обеспечение точного позиционирования без применения датчиков положения обратной связи. Это преимущество значительно снизило цену систем приводов компьютерной периферии и сделало ее массовым и доступным изделием. По мере совершенствования параметров, удешевления производства, а также упрощения и удешевления схем управления шаговые двигатели завоевали популярность и в других приложениях.
32
зана базовая схема управления биполярным шаговым двигателем. Для требуемой фазировки токов через обмотки внешняя схема должна обеспечить синхронное управление ключами двух мостовых схем. Первые схемы управления шаговыми двигателями были реализованы полностью на дискретных элементах и микросхемах комбинационной логики. Первый этап интеграции драйверов шагового двигателя
Первым этапом интеграции стала реализация в одном корпусе элементов моста и простой логики управления его ключами. Примером такой микросхемы является UC3717 фирмы Unitrode (в настоящее время часть TI), которая была разработана до 1995 г. Для управления двигателем требовалось использовать две такие микросхемы и внешний контроллер шаговых перемещений. Применялся линейный токовый режим с большими потерями мощности на обмотках и биполярных транзисторах. Компания Infineon примерно в то же время (1996 г.) стала выпускать микросхему драйвера SAA1042, в котором были интегрированы сразу две мостовых схемы, логика управления двумя мостовыми схемами, тактовый генератор, логика управления поворота на шаг и полшага, а также защитные диоды. К тому же времени компания Motorola разработала драйвер MC3479, аналогичный по структуре SAA1042.
Биполярные и униполярные шаговые двигатели
Униполярные двигатели проще в управлении и требуют меньше управляющих элементов. Ранее этот фактор имел решающее значение в цене готового решения. После того, как значительно повысился уровень интеграции и снизилась цена микросхем драйверов, униполярные шаговые двигатели потеряли это преимущество. Если сравнивать их между собой, то биполярный ШД имеет более высокую удельную мощность. При одних и тех же размерах биполярные двигатели обеспечивают больший момент, который пропорционален магнитному полю, создаваемому обмотками статора. Именно биполярные шаговые двигатели в основном выпускаются производителями. Схема управления биполярным шаговым двигателем
Двигатель имеет две обмотки, каждая из которых управляется мостовой схемой ключей. На рисунке 1 пока-
WWW.ELCP.RU
Рис. 1. Базовая схема управления биполярным шаговым двигателем
Рис. 2. Диаграммы сигналов для управления шаговым двигателем
драйверов SLA7042M и SLA7044M для двигателей, которые поддерживали режим микрошагового управления (1996 г.). Упрощение интерфейса управления
На следующем этапе в структуру драйвера была добавлена логика, которая упростила управление двигателем и снизила нагрузку на внешний контроллер. Отныне для управления вращением вала на один шаговый угол требовались всего два сигнала — сигнал направления DIR и тактовый сигнал CLK (или NXT), задающий скорость вращения. Этот интерфейс впервые появился у драйверов Allegro Microsystems и в дальнейшем стал использоваться в драйверах других производителей. Обратная связь. Датчик рассогласования угла поворота вала
Рис. 3. Режимы переключения мостовой схемы драйвера
Датчики токовой перегрузки
В структуру драйвера стали вводить датчики выходного тока для слежения за токовой перегрузкой в мостовых схемах. Примером такого драйвера явилась микросхема TLE4729G Infineon. Контроль тока производился отдельно в каждом мосту (в нижнем плече) через внешний резистивный датчик. Сигналы перегрузки по каждому каналу управления обмотками были доступны внешнему управляющему контроллеру в виде сигналов ошибки (открытый коллектор). Уменьшение потерь мощности и защита от перегрузок
На следующем этапе эволюции структуры драйвера для снижения потерь в мостовых схемах биполярные транзисторы заменили на DMOS. Кроме того, стал использоваться метод ШИМ токового управления, который позволил значительно уменьшить рассеиваемую на драйвере мощность. В структуре драйвера появились схемы защиты от перегрузки по току и перегрева кристалла, схемы обнаружения обрыва обмоток и короткого замыкания. Был добавлен режим энергосбережения. Микрошаговое управление
На рисунке 2 показаны диаграммы сигналов управления обмотками шагового биполярного двигателя для различных режимов. Обычно используется полношаговый или полушаговый режимы. Драйверы для их поддержки существенно проще и дешевле. Микрошаговый режим позволяет осуществлять дробление основного шага на несколько позиций и получать непосредственно без редуктора большую точность позиционирования вала двигателя. Allegro Microsystems была первой фирмой, которая разработала и начала серийный выпуск недорогих интегральных
Шаговые двигатели имеют ряд особенностей управления, связанных с инерционностью вала двигателя с нагрузкой и дискретностью движений вала. После выполнения каждого шага под управлением токовых импульсов, поданных на обмотки, производилась фиксация вала за счет закорачивания цепей обмоток (режим Slow) или переполюсовки сигналов для более быстрой фиксации (Fast) (см. рис. 3). При большой нагрузке на валу, а также при большой скорости вращения могли возникать паразитные явления — проскок на шаг вперед, пропуск шага или полное заклинивание двигателя, а также резонансные явления, когда двигатель находился на границе допустимых режимов. Для преодоления этих недостатков потребовалась обратная связь, возможность изменять режимы управления фазами разгона и торможения при выполнении шага и др. Адаптация параметров управления
После оценки сигнала обратной связи можно выработать стратегию для изменения параметров управляющих сигналов. Например, если ситуация соответствует зоне проскока на шаг вперед, значит, для данного скоростного режима недостаточна сила торможения. В этом случае можно уменьшить ток активной фазы или использовать режим быстрого торможения. В руководстве по драйверам приводятся методики для выбора оптимальных параметров управления. Для адаптации параметров управляющих сигналов под конкретные параметры двигателя и режим движения, а также возможности динамической подстройки параметров сигналов для устранения потери шага, резонансного эффекта, повышения динамики на больших скоростях был добавлен последовательный интерфейс и соответствующие схемы цифровой регулировки параметров. Параметры загружались в соответствующие режимные регистры. Этот уровень был впервые использован в микросхемах драйверов Allegro Microsystems, а затем появился в структурах драйверов STMicroelectronics, TI, Infineon.
электронные компоненты №11 2009
33
Рис. 4. Архитектура микросхем драйверов AMIS-30xxx Драйверы четвертого поколения
Белые поля соответствуют резидентным модулям, которые присутствуют во всех микросхемах семейства. Цветными полями маркированы необязательные модули, определяющие специфику и назначение микросхемы драйвера. В семейство AMIS-30xxx входит семь микросхем (A–G), различающихся интерфейсом управления, поддержкой некоторых функций и электрическими характеристиками (см. табл. 1). Размер микрокорпуса NQFP32 — всего 7×7мм. Семей ство образовано двумя сериями драйверов AMIS-305xx (четыре микросхемы) и AMIS-306xx (три микросхемы). Они отличаются некоторыми функциональными элементами, применением и, что особенно важно, ценой.
К началу разработки компанией AMIS своей архитектуры драйверов на рынке уже присутствовали драйверы шаговых двигателей, которые имели, с одной стороны, достаточно высокий уровень интеграции, а с другой — набор функциональных параметров, обеспечивавших реализацию оптимальной и дешевой схемы управления. В качестве примера такого драйвера можно привести драйвер-контроллер А3992 Allegro Microsystems. Для его управления использовался ШИМ, в мостовых схемах — полевые ключи; были реализованы различные типы защит от перегрузок. Загрузка параметров и управление движением производилась через последовательный интерфейс. Поддерживался режим микрошага. В обеих мостовых схемах использовались два внешних резистивных токовых датчика для контроля перегрузки. Для улучшения формы кривой при микрошаговом режиме в А3977 применялось автоматическое изменение режима спада тока в зависимости от текущего микрошага (Mixed Decay Mode). Архитектура серии драйверов AMIS-30xxx
34
При ее разработке требовалось создать модульную архитектуру для реализации линейки микросхем с функциональными параметрами, ориентированными на различные варианты применения с разными уровнями цен. Степень интеграции и функциональности должна была соответствовать лучшим на то время образцам интегральных драйверов-контроллеров. В архитектуре требовались модули, обеспечивавшие расширенные функциональные возможности. На рисунке 4 показана модульная архитектура линейки драйверов AMIS-30xxx.
Рис. 5. Структурная схема ASSP AMIS-305xx
Таблица 1. Основные технические характеристики однокристальных драйверов/контроллеров ШД компании ON Semiconductor Характеристика 30511 Диапазон напряжений питания, В Средний выходной ток, А Импульсный выходной ток, А RDS(on) (25°С), Ом Частота коммутации ШИМ, кГц Контроллер позиционирования Макс. уровень дискретности режима микрошага Интерфейс Встроенный стабилизатор напряжения (5 В) для питания внешних схем Рабочий температурный диапазон, °C Типы корпусов
WWW.ELCP.RU
30512
30521 6...30
0,8
1,6
0,4 0,8
Линейка драйверов 30522 30622 0,8
30623 8...29 0,57 0,8 0,5
0,4 1,6
0,45
30624 6...30 0,4
45 Нет 1/32 SPI –
Есть SOIC24
Есть 1/16 LIN
I2C
SOIC20, NQFP32
SOIC20
I2C –
Есть –40...125 NQFP32
SOIC20
Особенности серии AMIS-305xx
Первая серия микросхем AMIS-305xx (см. рис. 5) имеет простой пошаговый режим управления движения валом. При разработке большинства современных приложений она может служить отличной и недорогой альтернативой драйверам Allegro Microsystems, Infineon, Toshiba, TI, National Semiconductor, ROHM, обеспечивая функциональную совместимость. Их интерфейс управления образован последовательным портом SPI для конфигурирования и мониторинга и специализированными линиями вводавывода, в т.ч. для управления ШД. Пошаговая система управления производится в данной серии двумя сигналами. DIR (direction) определяет направление вращения, а сигнал на входе NXT (Next) подается в качестве команды для выполнения очередного шага поворота вала. Скорость движения и режим дробления шага устанавливаются предварительно через режимные регистры драйвера. Работая совместно с внешним микроконтроллером, ИС AMIS305xx выполняет преобразование заданной команды управления путем генерации на выходе драйверного каскада ШИМ-сигналов. Важным преимуществом AMIS-305xx является реализация слежения за рассогласованием угла поворота вала за счет контроля сигнала противо-ЭДС на обмотках двигателя через вывод SLA. Эта функция открывает широкие возможности по контролю и анализу работы ШД, обнаружению пропуска шага и возврата на шаг назад, введению обратных связей по положению и скорости, не требуя применения каких-либо дополнительных внешних компонентов.
1) в микросхеме через последовательный интерфейс реализована поддержка управления движением на уровне команд позиционирования; 2) в структуре имеется контроллер позиционирования, состоящий из программируемых счетчиков и регистров; 3) слежение за рассогласованием угла вала выполняется автоматически и не требует дополнительной программной поддержки. Используется тот же сигнал противо-ЭДС и интегрированный автомат, изменяющий динамические параметры сигналов управления. Контроллер позиционирования обеспечивает управление разгоном и замедлением двигателя по определенной диаграмме скорости с программируемыми значениями минимальной и максимальной скорости, ускорения/ замедления, для определения исходного положения ротора и перевода его в заданное положение, а также для
Характеристики серии AMIS-306xx
Серия имеет три характерных отличия от AMIS-305xx:
Рис. 6. Структурная схема драйвера
электронные компоненты №11 2009
35
контроля состояния внешнего контакта на входе SWI. Вход SWI можно использовать при отладке рабочих режимов или в штатном режиме типа концевика. Вход подключен к отдельному механическому замыкателю/концевику, связанному с валом. При прохождении заданной позиции вала, когда происходит замыкание/размыкание механического ключа, это состояние транслируется по последовательному интерфейсу в управляющий внешний контроллер и может быть использовано для контроля точности работы позиционирования или в качестве опорной точки для калибровки прохождения заданного угла, или точки реверса движения вала. Программирование траектории движении
Драйвер AMIS-306xx управляется командами высокого уровня, которые подаются через I2C или LIN-интерфейс. Алгоритм управления AMIS-306XX реализован в виде конечного автомата, т.е. разработчику следует подать команду переместить двигатель в определенное положение, предварительно задав необходимое ускорение и максимальную скорость, а также требуемый размер микрошага. Фазы разгона и торможения
Определяются рядом уровней нарастающих или спадающих напряжений, которые будут использоваться при выполнении соответствующей фазы по команде, поданной через сетевой интерфейс. Хост-контроллер при этом освобождается от локального контроля данных процессов. Для контроля используется встроенный запрограммированный пользователем автомат. Заданы начальные и конечные точки процессов, определены ряды значений, устанавливающие степень ускорения и торможения. Выбор: AMIS-305xx или AMIS-306xx?
Следует учесть, что драйверы AMIS-306xx стоят дороже, чем AMIS-305xx. Выбор за разработчиком.
События рынка
36
| «Элтех» работает по международным стандартам качества | Компания «Элтех» успешно разработала и внедрила систему менеджмента качества в соответствии с требованиями Меж дународного с тандарта ISO 9001:2008 и прошла сертификационный аудит. Аудит провёл орган по сертификации TÜV Rheinland®, по результатам которого был выдан Сертификат №75 100 70324. Сертификат TÜV Rheinland® является одним из самых престижных и признаваемых документов в области качества в мире. Структурами концерна TÜV Rheinland® сертифицированы системы менеджмента и продукция таких известных компаний-производителей электронных компонентов как NEC Corporation, Murata, Power-One, Aimtec и многих других. www.eltech.spb.ru
WWW.ELCP.RU
Собственно, наличие счетчика числа шагов не всегда облегчает задачу, если в устройстве так или иначе используется микроконтроллер либо DSP. Расчет траектории производится программно. В большинстве приложений ресурс управляющего микроконтроллера достаточен для того, чтобы решать сложные задачи в реальном масштабе времени. Поскольку не во всех случаях потребуются предельные режимы движения шагового двигателя, то не понадобится и сложный алгоритм управления динамическими параметрами драйвера. Реализованный в микросхеме интерфейс SPI можно использовать для задания таких параметров драйвера как амплитуда тока, шаговый режим, частота ШИМ. Микросхема драйвера, в свою очередь, передает в микроконтроллер статусы флагов состояния. В состав обоих семейств драйверов шаговых двигателей ON Semiconductor входит обратная связь, которая позволяет сравнивать электрическое и расчетное положение ротора, что можно использовать для контроля функционирования двигателя. Драйвер AMIS-30621 идеально подходит для позиционирования подвижных элементов небольших устройств. Его основные приложения: коррекция угла наклона ламп в автомобильных фарах, кондиционеры, привод холостого хода двигателей, механика систем круиз-контроля, промышленное оборудование, устройства домашней автоматизации. Концепция интеллектуального шагового двигателя
Достигнутый благодаря новой технологии уровень интеграции позволил получить миниатюрный драйвер и уменьшить число сигналов управления. Возможность объединения в одной ИС аналоговых и силовых каскадов на повышенные напряжения, а также низковольтных цифровых каскадов сделало возможным появление полностью интегрированных контроллеров ШД. Собственно двигатель получил цифровой интерфейс. Реализованные на базе таких ИС платы контроллеров обладают столь малыми размерами, что становятся частью двигателя, который в таком случае можно назвать интеллектуальным. Для реализации концепции умного двигателя наш лись и партнеры. Достигнута предварительная договоренность с крупнейшими производителями биполярных шаговых двигателей японских фирм NMB (Nippon Minebea), Shinano Kenshi, Oriental Motors, Nidec Servo Corp., Moons о заказе драйверов AMIS. Впечатляет и объем выпуска шаговых двигателей этими фирмами — свыше 100 млн шт. в год! В программе выпуска будут использоваться драйверы AMIS30624 (i2C), AMIS30623 (LIN) и AMIS-30523 (CAN). Своими разработками AMI Semiconductor значительно расширила спектр предложений для данного сегмента рынка, получив реальные шансы потеснить на рынке драйверов шаговых двигателей других крупнейших производителей. Литература 1. К. Староверов. Интегральные решения ON Semiconductor для управления шаговыми двигателями//Новости электроники №5, 2009. 2. О. Пушкарев. Драйверы шаговых двигателей фирмы Allegro//Современная электроника, декабрь 2004. 3. Datasheet AMIS-30621 and AMIS−30622 Products//www.onsemi. com. 4. Datasheet AMIS-30623 and AMIS−30624 Products//www.onsemi. com. 5. AMIS-30621 Micro-Stepping Motor Driver Datasheet OnSemi// Industries, LLC, 2009 August, 2009 − Rev. 2.
Перспективные дисплейные технологии Александр Самарин, вед. инженер, МИЭТ Данный обзор создан на основе анализа материалов конференции очередного симпозиума SID'09, проходившего в этом году в Сан-Антонио, шт. Техас. В статье представлены наиболее значимые и перспективные технологии, позволяющие существенно улучшить параметры дисплеев и их эргономику. Снижение потребления дисплейных устройств – главное направление в современных разработках. Особенно эта задача актуальна для мобильных устройств и ноутбуков, где уменьшение потребления позволяет увеличить ресурс работы устройства в автономном режиме без подзарядки аккумуляторов. ЖК-дисплеи мобильных устройств с переключаемым режимом «отражениепропускание»
Применение цветных TFT ЖК-дисплеев значительно расширило функциональные возможности мобильных устройств. Однако использование светодиодной подсветки существенно увеличило уровень потребления и снизило ресурс работы от аккумулятора. В большинстве случаев, например при работе в условиях яркой освещенности, можно было использовать режим на отражение и не использовать подсветку. Т.е. оптимальным решением для работы дисплея мобильного устройства является работа как в режиме «на отражение» (внешняя подсветка), так и на пропускание (с задней подсветкой). При ярком свете лучший контраст обеспечивают ЖК-дисплеи, работаю-
щие на отражение. При низком освещении лучшее качество изображения у ЖК-дисплеев с подсветкой в режиме пропускания. В чем заключается проблема создания дисплеев, работающих в комбинированном режиме? В дисплеях с задней подсветкой, использующих режим «на пропускание», экран в исходном состоянии затемнен в отсутствие напряжения, а у дисплеев в режиме «на отражение» экран светлый. Оптическая схема дисплея определяется ориентацией вектора ЖК-молекул и фильтровполяризаторов. В настоящее время разработаны типы ЖК-дисплеев, которые работают в промежуточном, трансфлективном режиме (на полупропускание). Большинство трансфлективных ЖК-дисплеев обеспечивает работу в режимах transmissive (T) and
Дисплеи
38
Рис. 1. Топология и эквивалентная схема ЖК-ячейки с переключением доминантного режима: dLC — зазор с ЖК-материалом; Cs — запоминающий конденсатор пиксела; CLC1 — емкость первого домена; CLC2 — емкость второго домена; Сp — емкость пассивирующего слоя; Tr — слой отражателя; Dp — толщина пассивирующего слоя; Vdata — шина данных (столбцы)
www.elcp.ru
reflective (R) за счет введения локальных зон T и R в каждый пиксел. Оптический режим зон формируется путем создания разной ориентации ЖК-молекул. Однако такой режим уменьшает разрешение экрана и ухудшает четкость изображения. В каждом из режимов работает только половина всех пикселов. MVA-технология
Для кардинального решения проблемы комбинированного дисплейного режима было предложено использовать MVA-технологию. Изначально эта технология (Multidomen with Vertical Alignment — изменение ориентации нескольких доменов относительно нормали к плоскости матричного слоя) была предназначена для реализации более высоких углов обзора в ЖК-дисплеях. В MVA площадь каждого пиксела разбита на несколько зон-доменов. Для каждой зоны за счет использования ориентирующего покрытия и специальной обработки поверхности создается анизотропная пространственная ориентация осей ЖК-молекул. В итоге для каждого домена возникает некоторый угол рассогласования вектора поляризации ЖК-молекул по отношению к оси поляризующих фильтров. Каждый домен обеспечивает свой угол обзора, а угол обзора экрана формируется комбинацией всех доменов. MVA в этом приложении используется для решения совсем другой задачи. В предложенном трансфлективном методе STAR (Switchable Transmissive and Reflective) применяются оба режима — T и R без деления пикселов на зоны T/R. Дисплей может переключаться между двумя основными состояниями T и R в соответствии с условиями внешней освещенности (см. рис. 1). При управлении полутонами пикселов для обоих режимов используется только одна гамма-кривая.
Дисплеи
40
В схеме управления пикселом присутствуют два транзисторных ключа. Транзистор TFT1 работает в обычном режиме, обеспечивая запись и хранение уровня напряжения управления, а TFT2 задает оптический режим пиксела. Идея состоит в управляемом перераспределении напряжения, запомненного на Cs между емкостями доменов. Эту функцию и выполняет транзистор TFT2. В случае, когда он закрыт, напряжение с обкладки Cs распределяется между последовательно включенными емкостями Cp и CLC2, т.е. напряжение на втором домене меньше, чем на первом. При включении транзистора TFT2 емкость Cp шунтируется, и напряжение на обоих доменах становится одинаковым. Для этого рассчитывается и задается специальное рассогласование для обоих доменов по отношению к вектору фильтров-поляризаторов. При подаче определенного напряжения смещения можно повернуть оси директоров обоих доменов таким образом, чтобы оптическое состояние доменов стало более темным. ЖК-ячейка содержит две области для синтеза гамма-кривой. Область 1 непосредственно контактирует с электродом стокового транзистора Т1, а вторая граничит со стоковым электродом транзистора Т2. При низкой освещенности (Т-режим) Т2 включен и шунтирует конденсатор Сp (емкость в пассивирующем слое). В этом случае напряжение управления полностью прикладывается к обоим электродам пиксела, за счет чего молекулы ЖК поворачиваются на большой угол. Таким образом, устанавливается темное состояние для всех выключенных пикселов. В условиях высокой внешней освещенности происходит переход в доминантный отражательный режим. Транзистор Т2 выключен. Емкость Сp включена параллельно с емкостью второй зоны пиксела. Угол поворота ЖК-молекул для данной области (домена) уменьшается. Домен работает в R-режиме (светлые пикселы в отсутствие подачи напряжения, Т1 закрыт). Используя дополнительный ключ Т2, можно управлять напряжением и изменять начальный сдвиг ориентации молекул. Ключ Т1 управляет состоянием пиксела, как и в обычном TFT ЖК-дисплее.
Рис. 2. Структура гибридного дисплея
www.elcp.ru
Ключ Т2 управляет выбором доминантного состояния — T- или R-режим. Для режима отражения транзистор T2 выключен, поле пикселов светлое. Для режима на просвет (используется подсветка) транзистор Т2 включен, при этом изменяется угол наклона оси директора в домене ячейке таким образом, что ячейки в выключенном состоянии становятся темными. При реализации эта технология не усложняется, улучшается качество и читаемость изображения при ярком внешнем освещении. Кроме того, уменьшается потребление дисплея, поскольку работа с подсветкой не ведется. Переключение режимов производится автоматически от встроенного в мобильное устройство датчика уровня внешней освещенности. Гибридный трансфлективный дисплей
Для реализации трансфлективного режима работы дисплея в мобильных устройствах была предложена гибридная технология ЖК+OLED. На рисунке 2 показана схема гибридного дисплея, в котором используется интегрированная вертикальная структура, состоящая из ЖК-панели, OLED-панели и фотогальванического модуля (солнечной батареи). Солнечная батарея позволяет использовать часть энергии внешнего освещения для питания электроники мобильного устройства. По крайней мере, этой энергии вполне достаточно для электроники ЖК-дисплея. Фотоэлемент является датчиком освещения для автоматического выбора оптимального режима работы, а также фоновым отражателем. OLED-панель прозрачна в выключенном состоянии, и при высокой внешней освещенности работает только ЖК-панель в режиме на отражение. Свет проходит через структуру ЖК-панели, прозрачную OLED-панель, попадает на поверхность фотогальванического элемента, а затем отражается. На базе ЖК холестерического типа с бистабильным эффектом был разработан прототип устройства, применение которого позволит значительно сократить уровень потребления при отображении статической информации. Структура OLED используется для работы с динамическими изображениями, а также с низ-
ким уровнем освещенности. В отдельных режимах с уменьшением энергопотребления OLED-панель работает в качестве задней подсветки ЖК-панели. Гибридная технология ЖК TFT+e-paper компании Pixel Qi
Компания Pixel Qi продемонстрировала на выставке Computex 2009 дисплеи нового типа — 3qi, предназначенные для портативных компьютеров и устройств для чтения электронных книг. В дисплее нового типа используется гибридная технология обычных ЖК TFT с e-paper. В помещениях с малой освещенностью дисплей работает в режиме обычного ЖК-дисплея с задней подсветкой. При высокой внешней освещенности подсветка отключается, и дисплей переходит в экономичный режим e-paper. 10,1-дюймовый дисплей на базе этой технологии потребляет 2,5 Вт в полноцветном режиме с подсветкой, как лучшие модели TFT ЖК-дисплеи аналогичного формата. С того времени как Amazon продемонстрировала свое устройство для чтения книг Kindle в ноябре 2007 г., рынок вступил в новую фазу. Вслед за тем Amazon представила еще две модели — Kindle 2 и Kindle DX. Другие компании, например Sony, Samsung, Fujitsu, Foxit, Pixel Qi, также борются за свое место на быстроразвивающемся рынке читающих устройств. Первый тип дисплея, разработанный Pixel Qi, имеет диагональ 10 дюймов. Он предназначен для нетбуков и устройств для чтения электронных книг. Дисплеи этого типа уже сейчас являются серьезными конкурентами лучших образцов дисплеев типа e-paper, имея к тому же функцию поддержки видеорежима с полными и насыщенными цветами. В режиме e-paper достигнуто разрешение в три раза выше, чем у самых лучших дисплеев данного класса, причем высокое разрешение реализовано без ущерба полноцветной графики с широкой палитрой цветов. Дисплей обеспечивает отличную читаемость даже при ярком солнечном свете. Это устройство стало лауреатом премии Best of Computex на выставке Computex 2009. Гибридная дисплейная технология для мобильных устройств
Функции мобильного телефона становятся более разнообразными, он все больше выступает в качестве персонального помощника. Дисплейный модуль играет главную роль в пользовательском интерфейсе мобильного телефона. Однако различные применения требуют различных спецификаций от дисплея, чтобы обеспечить сочетание высокой производительности с высокой эффективностью.
лением цветов 24 бит и контраст более 500:1. Углы обзора составляют 170°. Потребляемая мощность сравнима с потреблением аналогичных по размеру TFT ЖК-дисплеев. Горизонтальный контрастный угол сравним с этим параметром у OLED-дисплеев, т.е. насыщенность цветов при изменении углов наблюдения сохраняется. DMSтехнология обеспечивает параметры, близкие к параметрам OLED-дисплеев при потребляемой мощности даже несколько меньшей, чем у ЖК-дисплеев
бражение очень высокого качества за счет уникальной оптической архитектуры и метода, который базируется на микрозатворах MEMS, сформированных на подложке с активно-матричной TFT-структурой адресации. Для синтеза полутонового цветного изображения используется последовательная по времени модуляция по цветам. В настоящее время разработаны и испытаны прототипы дисплеев для мобильных приложений. Дисплей обеспечивает широкую цветовую палитру с представ-
Рис. 3. Конструкция гибридного дисплея
а)
б) Рис. 4. Структура модуля подсветки с коллимированным светом
41 Дисплеи
Для оптимизации режимов отображения при использовании различных функций мобильного телефона была разработана новая концепция дисплея, который переключается из обычного 2D- в 3D-режим, а также в режим проектора при использовании всего одной ЖК-панели в качестве источника изображения. Дисплей использует источник подсветки с коллимированным пучком света и светорассеивающий диффузор на основе дисперсного полимерного ЖК (PDLC — Polymer Dispersed Liquid Crystal), находящегося позади ЖК-панели, а также переключаемый растровый фильтр. Перед ЖК-панелью устанавливается выдвижной проекционный объектив. В реализации дисплея в сотовом телефоне на его откидной крышке находится выдвижной проекционный объектив. Источник изображения — традиционная ЖК-панель с полимерным дисперсионным диффузором, расположенным между нею и модулем подсветки. Источник подсветки обеспечивает коллимированный поток света. Переключаемый линзовый массив, или параллаксный барьер, расположен над панелью. Объектив автоматически выдвигается при переходе в режим проектора. В обычном двумерном (2D) режиме крышка откинута, объектив задвинут. При этом PDLC- и растровый фильтры отключены. Их оптические состояния (PDLC-фильтр — диффузное рассеяние излучения задней подсветки, растровый фильтр — прозрачный) обеспечивают работу ЖК-дисплея в режиме пропускания. В режиме объемного изображения (3D) крышка откинута, объектив задвинут, фильтр PDLC включен и становится прозрачной пленкой; переключаемый растровый фильтр также включен. Для различных групп пикселов он обеспечивает различные углы обзора, формируя объемное изображение. В этом случае дисплей переходит в режим автостереоскопического 3D-дисплея. В проекционном режиме крышка корпуса закрыта, объектив выдвигается. Фильтр PDLC включен и обеспечивает высокую коллимацию светового потока. Растровый фильтр выключен. Конструкция дисплейного блока показана на рисунке 3. В качестве источника подсветки дисплея используются массивы светодиодов и высокоэффективный коллиматор (см. рис. 4). При толщине объектива проектора всего 19 мм обеспечивается проекция изображения размером 180×135 мм (почти размер A4) с расстояния 427 мм. Технология Pixtronix DMS™
Дисплейная технология Pixtronix DMS™ (Digital Micro Shutter — цифровой микрозатвор) обеспечивает изо-
Рис. 5. Структура DMS-дисплея содержит MEMS на TFT-подложке и светодиодную RGB-подсветку
электронные компоненты №11 2009
Рис. 6. Конструкция микрозатворов DNS-структуры
со светодиодной подсветкой (см. рис. 5). В отличие от схемы Microsoft Research, для повышения эффективности использования светового потока в этом случае не используются массив микролинз, а световой поток неколлимированный, что значительно удешевляет конструкцию модуля. Рекуперация света обеспечивается за счет оптимальной схемы отражения в световоде. Для повышения коэффициента рекуперации света используется специальная форма отражателя в нижней стенке световода. При отражении свет фокусируется преимущественно
в зоны апертур затворов. При использовании данной схемы коэффициент пропускания дисплейной структуры Pixtonix составляет около 60%. Для сравнения, коэффициент пропускания ЖК-дисплеев мобильных устройств — не более 8%. Достигнутое быстродействие затворов на тестовых структурах составляет 1440 Гц. Для сравнения, в типовых микродисплеях LCOS с цветовой покадровой модуляцией максимальная частота кадровой развертки 450—540 Гц. Чем выше частота кадровой развертки, тем меньше проявляются артефакты, связанные с применением цветокадровой модуляции. На рисунке 6 показана топология актуатора и затвора Pixtronix. На выставке SID’09 демонстрировался прототип QVGA-дисплея с диагональю 2,5 дюйма. При изготовлении прототипа использовались технологии LTPS-PMOS и LTPS-CMOS, а также матрица адресации с транзисторами на аморфном кремнии. Прототип полностью поддерживает видеорежим 60 Гц. Яркость дисплея — 170 нит. MEMSструктура формируется на стеклянной подложке. Все процессы создания электромеханической матрицы микрозатворов совместимы с процессами AMLCD. Технология обеспечивает плотность пикселов 100…300 dpi. В отличие от микрозеркальных актуаторов, используемых в DMD-
Дисплеи
42
Рис. 7. Структура лазерного проектора и форма сигналов управления
www.elcp.ru
технологии TI, актуаторы DNS не склонны к «залипанию», поскольку в них используется симметричная схема возбуждения подвижного затвора. Это, кстати, обеспечивает и больший уровень быстродействия, чем у микрозеркал DMD. Кристаллы драйверов управления строками и столбцами монтировались непосредственно на подложку активной матрицы. Скорость переключения оптического затвора — около 100 мкс. Лазерный проектор со спиральной разверткой для мобильных устройств
Микропроектор со спиральной лазерной разверткой впервые демонстрировался на выставке предыдущего симпозиума SID’08. Тогда была готова модель, работающая только в монохромном режиме. В этом году на выставке SID’09 демонстрировался уже цветной вариант микропроектора со спиральной разверткой, разработанный на факультете инженерной механики Вашингтонского университета. Микропроектор имеет две исключительные особенности, которые отличают его в ряду подобных устройств с механической разверткой луча. Первая — уникальные размеры: головка сканера имеет форму цилиндра диаметром всего 1,07 мм и длиной 13 мм! Вторая ключевая особенность конструкции сканера — спиральная развертка луча, а если точнее, по спирали Архимеда. При таких малых размерах обеспечивается довольно широкий угол сканирования — около 100°. В других устройствах для достижения такого широкого угла потребовалась бы дополнительная оптика и приличный пространственный объем. Конструкция микропроектора показана на рисунке 7. Механическая развертка лазерного луча, проходящего через оптоволокно от трех лазеров, осуществляется с помощью миниатюрного пьезопривода. При развертке источник света работает в импульсном режиме и обеспечивает подсветку только светящихся пикселов. При этом на электронный блок привода расходуется небольшая доля энергии; собственно привод потребляет ее очень мало, поскольку механические подвижные детали очень малы и невелика амплитуда их перемещения. В качестве источников могут использоваться лазерные светодиоды или твердотельные лазеры, которые имеют довольно большую эффективность излучения — 10—20%. Кантилевер сканера крепится к торцу трубки пьезопривода. Внутри нее проходит оптоволокно, через которое передается модулированный поток света от лазерного светодиода. Светоизлучающий кончик
Рис. 8. Размещение элементов лазерного проектора в корпусе мобильного устройства
волокна выполняет движение по спирали. Сигнал изображения, поступающий в обычном формате растровой развертки, буферизуется в ОЗУ. Для модуляции лазерного светодиода формируется другой выходной видеопоток данных, представленных уже в полярных координатах. Для управления пьезоприводом на одну систему электродов подаются сигналы синуса, на другую — косинуса. Малые размеры и малое потребление микропроектора обеспечивают идеальное решение для использования его в мобильных устройствах. На рисунке 8 показан вариант размещения микропроектора в корпусе мобильного устройства. Отсутствие подвижных частей гарантирует высокую надежность и долговечность сканера. Проекционная система может синтезировать изображение с разрешением, эквивалентным 500 строкам обычной развертки и с кадровой частотой 30 Гц. Возможны и другие режимы развертки — 240 строк/60 Гц и 1000 строк/15 Гц, что позволяет отображать неподвижные изображения с высоким разрешением или просматривать видео с реальной кадровой разверткой. Качество полученного изображения можно оценить по рисунку 9. МЕМS-ключи вместо транзисторов в AMOLED
Рис. 9. Изображение, сформированное спиральным микропроектором
Дисплеи
44 Рис. 10. Типовая схема ячейки адресации AMOLED
Рис. 11. Принцип работы MEMS-ключа
www.elcp.ru
Как известно, одним из важных элементов схемы управления матрицей AMOLED являются ключевые элементы, коммутирующие ток через OLEDсветодиод. Они должны обеспечивать достаточное быстродействие, пропускать большие токи (несколько мА), иметь малые токи уточки, а технология их формирования должна обеспечивать высокую однородность параметров по всей площади экрана (см. рис. 10). Технология их формирования должна быть простой, недорогой и обеспечивать стабильную воспроизводимость параметров транзисторов. В настоящее время используются транзисторные ключи на аморфном кремнии a-Si и на поликремнии p-Si. Поликремниевый слой получают методом лазерного отжига пленки аморфного кремния. Пока этот про-
цесс довольно сложен, трудоемок и недешев. Технология формирования матрицы транзисторов на аморфном кремнии в настоящее время хорошо отлажена и обеспечивает стабильные и однородные по площади параметры транзисторов. Поликремний обеспечивает лучшие токовые передаточные характеристики, чем аморфный кремний, однако в процессе производства очень трудно обеспечить высокую однородность характеристик, что приводит к заметной разнояркостности элементов и зон экрана. Для решения этой проблемы были опробованы различные альтернативные решения. В качестве одного из вариантов реализации ключевых токовых элементов были предложены даже MEMS-ключи. Для хорошо отлаженного в настоящее время формирования MEMSкомпонентов используются те же технологические процессы, что и для обычных микросхем. Главное преимущество предложенной концепции управления — высокая однородность и стабильность параметров MEMSключей. Они имеют малое сопротивление во включенном состоянии и могут коммутировать большие токи. Разброс сопротивлений пренебрежительно мал. Время переключения ключей вполне достаточное для обеспечения коммутации в заданном временном интервале (см. рис. 11). На рисунке 12 схематично изображены фазы управления OLED-пикселом на основе MEMS-ключа. Рассмотрим их подробнее. T1 — фаза записи данных в элемент памяти (конденсатор) в процессе выборки строки. Ключ SW1 открыт, MEMS-ключ SW2 разомкнут. Т2 — фаза хранения данных и управление током OLED-светодиода. Ключ SW1 закрыт, SW2 — замкнут. T3 — фаза разряда. Конденсатор разряжается и размыкает ключ SW2. Т4 — фаза сохранения выключенного состояния. Прохождение тока через светодиод блокируется. Ключ SW1 закрыт и SW2 разомкнут. Для управления яркостью используется метод ШИМ. Сопротивление замкнутого MEMS-ключа около 20 Ом. Ключ способен пропускать токи до 15 мА. Время переключения ключа около 5 мкс. Потребление тока происходит только в режиме переключения, и оно незначительно по сравнению с остальной схемой управления и матрицей OLED. У этой технологии только один недостаток — для электростатического управления MEMS-ключом требуются высокие уровни напряжений 30…50 В, однако в серийно производимых MEMSприборах также используется электро-
устройств. Проекционные технологии на основе MEMS имеют хорошие перспективы, но они пока не достигли уровня, пригодного для серийного выпуска продукции с их использованием.
Рис. 12. Фазы управления OLED-пикселом на основе MEMS-ключа (режим ШИМ-модуляции)
статическое управление с амплитудами сигналов в диапазоне 30…70 В. В результате был изготовлен прототип дисплейного устройства с MEMSключами. Следует признать, что пока эта технология по стоимости реализации еще недозрела для использования в серийном производстве. Заключение
Дисплейные технологии продолжают развиваться и совершенствоваться. Основные векторы их развития — сни-
жение потребления дисплеев, увеличение уровня интеграции и широкое использование гибридных технологий. Продолжается внедрение технологий объемного изображения и проекционных технологий в секторе мобильных устройств. Доминирующие позиции на рынке по-прежнему удерживают ЖК-дисплеи. Последние достижения демонстрируют высокий потенциал этой технологии как в секторе большеформатных дисплеев, так и в секторе мобильных
Литература 1. Jiun-Haw Lee, Tien-Lung Chiu, and KaiHsiang Chuang, Yi-Hsin Lin, Shin-Tson Wu. “Digest SID'09 Smart Transflective Display Integrated with PDLC and OPV-embedded-OLED”. 2. Hsin-Hsuan Huang and Cheng-Huan Chen, Yu-Cheng Lai , Yu-Cheng Chang , Yi-Pai Huang and Han-Ping D. Shieh, Chih-Wen Chen “Digest SID'09. Direct View and Projection Switchable Mobile Display”. 3. Brian T. Schowengerdt, Cameron M. Lee, Richard S. Johnston, C. David Melville, and Eric J. Seibel “Digest SID'09 1-mm Diameter, Fullcolor Scanning Fiber Pico Projector”. 4. Jignesh Gandhi, Je Hong Kim, Nesbitt Hagood, Lodewyk Steyn, John Fijol, Tim Brosnihan, Stephen Lewis, Gene Fike, Roger Barton, Mark Halfman, Richard Payne “Digest SID'09 High Image Quality of Ultra-Low Power Digital MicroShutter Based Display Technology”. 5. Jun-Bo Yoon, Jeong Oen Lee, Hyun-Ho Yang, and Weon Wi Jang. “Digest SID'08: A Novel Use of MEMS Switches in Driving AMOLED”. 6. Zhibing Ge, Xinyu Zhu, Thomas X. Wu, Shin-Tson Wu, Wang-Yang Li Chung-Kuang Wei. “Digest SID'09 Switchable Transmissive and Reflective LCD for Mobile Displays”.
События рынка | Первый обучающий семинар компании «Резонит» | В конце сентября компания «Резонит» провела свой первый обучающий семинар для инженеровконструкторов, посвященный вопросам проектирования, монтажа и применения печатных плат на металлическом основании. В программу семинара вошли следующие доклады: – «Обзор материалов, применяемых при производстве печатных плат на металлическом основании» (докладчик — А.А. Максимов, специалист «Резонит»); – «Области применения печатных плат на металлическом основании» (докладчик — Д.А. Марущенко, специалист ООО «Резонит»); – «Особенности проектирования печатных плат на металлическом основании с повышенным теплоотводом» (докладчик — Ю.В. Муравьев, специалист ООО «Резонит»); – «Особенности монтажа печатных плат на металлическом основании с повышенным теплоотводом» (докладчик — А.А. Фешко, специалист ООО «Микролит»). Завершил семинар доклад по светодиодам (докладчик — А. Полищук, специалист компании «Полупроводниковая светотехника»). На сайте нашей компании www.rezonit.ru можно подробнее ознакомиться с информацией по содержанию докладов, увидеть фотоотчет о состоявшемся семинаре, найти необходимую справочную информацию.
Дисплеи
45
www.rezonit.ru
электронные компоненты №11 2009
Рекомендации при выборе дисплеев для мобильной аппаратуры Ольга Костина, вед. менеджер КТЦ-МК Виктор Белецкий, к.т.н., техн. консультант КТЦ-МК
Дисплей — один из ключевых компонентов большей части электронной аппаратуры. Свыше 90% продаваемых сегодня потребительских товаров оснащено дисплеями. Они используются в телевизорах с ЖК- и плазменными экранами, мониторах компьютеров, DVD- и AV/CD-плеерах. В еще большей мере, чем в домашних применениях, дисплеи используются в современных встраиваемых системах и измерительных приборах для организации пользовательского интерфейса, предоставляя средства настройки и отображения.
46
В настоящее время рынок дисплеев претерпевает значительные изменения. Не так давно невозможно было даже вообразить себе портативные приборы с цветным дисплеем. Правда, при переходе с монохромных дисплеев на цветные возникает ряд ограничений. Цветной дисплей потребляет больше электроэнергии, что резко снижает продолжительность непрерывной работы от батарей. Однако и технологии батарейного электропитания тоже не стоят на месте. При создании цветных дисплеев используется множество разнообразных технологий, для которых характерны свои особенности. Известны, например, такие технологии пассивных матриц как Color STN LCD, UFB (Ultra Fine & Bright) LCD, UFS (Ultra Fine and high speed) LCD и PM-OLED (Passive Matrix Organic Light Emitting Device). ЖК-дисплеи с пассивными матрицами — экономичные решения, но для них характерны некоторые ограничения по времени отклика, существенные для видеоприложений. Стремительно развивается прогрессивная технология органической электролюминесценции (разработка корпорации Kodak EK), у которой следующие преимущества перед ЖК-технологиями. – OLED-дисплеи не имеют задней подсветки, поскольку излучают собственный свет. Их энергопотребление пропорционально количеству инициированных пикселов. – OLED-дисплеи обладают более широким углом обзора и обеспечивают более высокую по сравнению с ЖК-дисплеями яркость изображения. – OLED-дисплеи конструктивно делаются очень тонкими (1...3 мм), что благоприятно сказывается на габаритах приборов. В настоящее время ведутся активные работы по увеличению формата панелей и повышению их разрешения. Рынок
WWW.ELCP.RU
PM-OLED ориентирован, в первую очередь, на дисплеи отображения входящих звонков или дисплеи MP3-плееров. Главными технологиями панелей дисплеев с активными матрицами являются: a-Si-TFT (amorphous Silicon TFT), LTPS (Low Temperature Poly Silicon) и AM-OLED (Active Matrix OLED). Некоторые фирмы работают над технологиями CGS (Continuous Grain Silicon), FED (Field Emission Device) и PDP (Plasma Display Panel). Технология CGS должна обеспечить дальнейшее повышение подвижности электронов в кремнии (300 см2/Vs макс.), по сравнению с TFT и LTPS. Эта технология наилучшим образом годится для применения в панелях среднего формата для мобильных решений. Технологии FED и PDP можно использовать только в крупноформатных системах, таких как телевизоры и мониторы, поскольку для них характерно довольно высокое энергопотребление и крупный шаг пикселов. Несмотря на то, что активная матрица имеет более высокое энергопотребление, чем пассивная, панели с активными матрицами обладают такими преимуществами как хороший отклик, высокий контраст, большой угол обзора, высокая насыщенность и чистота цвета, необходимыми для мобильных применений на основе мультимедийных платформ. Выбор индикатора для разрабатываемого прибора обусловлен, в основном, четырьмя ключевыми параметрами: технологией, размерами, его разрешением и конструкцией. Выходя на рынок с мобильным прибором, производитель вынужден оглядываться на конкурентные разработки. Очевидно, что при большом выборе сегодняшний потребитель отдаст предпочтение прибору, оснащенному цветным и более информативным дисплеем, позволяющем осуществлять вывод сложных графиков и возможность создания графического интерфейса пользователя. Кроме
того, приборы с цветными индикаторами обладают значительным преимуществом, позволяя «сделать красиво». Поэтому они побеждают на рынках, несмотря на технические сложности внедрения и более высокую цену. Вывести на этот сегмент рынка изделие с монохромным дисплеем можно только в нижней ценовой категории. Простейшая модернизация мобильного прибора — замена монохромного индикатора цветным — обычно не составляет труда. Большинство малогабаритных индикаторов разных производителей, будь то OLED или TFT, имеет встроенные контроллеры с интерфейсами I2C, SPI, параллельным, цифровым RGB. Разработчикам остается лишь немного доделать программу, благо в современных средах разработки достаточно сходных проектов. Значительно сложнее перейти на цветной индикатор большого формата. В основном, рынок TFT-дисплеев размером более 4 дюймов представлен моделями с аналоговым RGB-интерфейсом, цифровым интерфейсом, в котором каждая цветовая составляющая пиксела задается 6-ти или 8-битным значением, или LVDS-интерфейсом. Недостатка в микроконтроллерах (МК), которые оснащены встроенными графическими контроллерами ЖКД для поддержки STN, CSTN, TFT и AD-TFT панелей, способными напрямую управлять ЖК-панелями, нет. Например, семейства iMX/PowerPC/ColdFire фирмы Freescale, семейства LH75xxx (84-МГц ядро ARM7TDMI™)/LH79xxx (77- МГц ядро ARM720T™)/LH7А4xx (266-МГц ядро ARM922T™)/ LPC2478 фирмы NXP, AT91SAM9xxx компании ATMEL и др. Однако в этом случае для модернизации прибора требуется замена элементной базы, написание и отладка программного обеспечения, что фактически означает разработку прибора с нуля с соответствующими финансовыми затратами. Помимо всего прочего, этот процесс предполагает наличие высококвалифицированных разработчиков микропроцессорной техники, которыми располагают далеко не все российские фирмы. Буквально за последние два года на рынке появились TFT- и OLED-дисплеи большого формата (свыше 4,0 дюймов) со встроенным графическим контроллером, которые позволяют быстро и с малыми затратами подтянуть характеристики прибора под современные требования рынка. К ведущим фирмам, разрабатывающим решения управления дисплеями, относятся Solomon Systech, Samsung, Epson. Рассмотрим подробнее структуру графического контроллера на примере SSD1918 (компания Solomon Systech). Он ориентирован на использование в мобильных устройствах с малым энергопотреблением как собственно графического контроллера, так и системы в целом. Встроенная в прибор энергетически экономичная SRAM обеспечивает поддержку двухпанельных дисплеев в мобильных устройствах (см. рис. 1). Построение прибора на основе МК с интегрированным графическим контроллером позволяет сохранить некоторую площадь на печатной плате, но не стоимость системы в целом. Для всех применений со встроенной в МК функцией графического контроллера необходимо использовать буферную память. МК таким буфером оснащаются редко и, если он все-таки имеется, то обычно не способен поддерживать достаточно большие QVGA (320×240) полноцветные дисплеи. Это связано с тем, что организованный на едином кристалле буфер снижает выход годных микроконтроллеров и, следовательно, увеличивает их стоимость. Поэтому в большинстве случаев используется внешняя SDRAM, работающая совместно с памятью программ и используемая в качестве буфера изображения для дисплея. Для конфигурации со встроенным в МК графическим контроллером (Случай 1) характерен следующий ряд недостатков по сравнению с решением на основе внешнего графического контроллера SSD1918.
1. Высокое энергопотребление в режиме ожидания. Дисплей, обслуживаемый графическим контроллером процессора, непрерывно обновляется в соответствии с содержимым SDRAM, то есть если необходимо поддерживать отображение, то и SDRAM, и микроконтроллер никогда не переводятся в режим ожидания. Это ведет к высокому энергопотреблению всей системы. В Случае 2 для обеспечения работы основной панели дисплея достаточно постоянно использовать только микросхему SSD1918, тогда как другие компоненты системы, такие как SDRAM и МК, можно вывести в режим ожидания (см. табл. 1). 2. Снижение эффективности работы микроконтроллера. В нормальных режимах отображения дисплей никогда не должен выключаться. Несложный подсчет показывает, что при основной панели дисплея QVGA (320×240) с глубиной цвета 16bpp, 16-разрядной шине данных SDRAM и частоте обновления TFT-панели 60 Гц для обновления одного экрана потребуется 320×240×(16bpp)/(16bit) × 60 Гц = 4608000 циклов обращения для чтения в секунду. Этим объясняется затрата впустую, приблизительно, половины времени работы процессора, поскольку процессор не может выполнять
Рис.1. Типовая конфигурация в мобильном телефоне
47 Рис. 2. Конфигурации систем на основе МК со встроенным графическим контроллером (вверху) и на основе графического контроллера SSD1918 (внизу) Таблица 1. Энергопотребление конфигураций Случай 1 и Случай 2 Компонент системы SDRAM (4Mx32) Микроконтроллер
Конфигурация Случай 1 ~250 мВт ~80 мВт
Конфигурация Случай 2 ~3 мВт (режим ожидания) ~1 мВт (режим ожидания) ~4 мВт (дисплей не обновляется)
SSD1918
—
2,5 дюйма, 18-bpp QVGA TFT-дисплей
~20 мВт (большинство микроконтроллеров обеспечивают только 16 bpp)
~20 мВт (полная 18-bpp глубина цвета)
Полное энергопотребление*
~350 мВт
~28 мВт
* Типовые состояния систем, потребление которых определяется характеристиками режима ожидания. Считается, что дисплей не использует подсветку.
электронные компоненты №11 2009
полезные вычисления, если шина занята обновлением дисплея. Эти циклы микроконтроллера можно использовать с пользой только в случае применения внешнего графического контроллера. Это значит, что или процессор сможет выполнять некоторую полезную работу, например декомпрессию видео с помощью SDRAM в качестве рабочего буфера, или же в системе будет задействован микроконтроллер с более низкой производительностью и, соответственно, с меньшей стоимостью. Другими достоинствами использования контроллера SSD1918 являются: – возможность точной подстройки частоты под необходимые для конкретных TFT-дисплеев частоты. Что очень важно, необходимость изменять частоту кадров панели TFT дисплея не будет отрицательно влиять на производительность микроконтроллера; – уровни напряжения сигналов модулей ЖКД могут отличаться (как в случае двухпанельного дисплея), и встроенный в МК графический контроллер не может быть адаптирован к такому варианту. Внешний графический контроллер SSD1918 позволяет сформировать для каждого интерфейса собственное напряжение в пределах 1,6…3,6 В; – графический контроллер SSD1918 позволяет управлять скоростью нарастания управляющих дисплеем сигналов, что очень редко реализуется МК со встроенными графическими контроллерами. Еще одним фактором, влияющим на выбор варианта использования графического контроллера, является постоянное развитие технологий и алгоритмов работы дисплеев, которые повышают качество отображения. Процесс разработки МК со встроенным графическим контроллером обычно занимает больше времени, чем разработка графического контроллера, что приводит к преждевременномау моральному старению решения со
встроенным контроллером, не способного реализовать некоторые новые алгоритмы. Длительность цикла разработки отдельного графического контроллера намного короче цикла разработки микроконтроллерной системы на кристалле, что позволяет сократить время вывода на рынок конечного применения. Современные контроллеры дисплеев оснащаются механизмом ускорения двумерной графики, способным поддерживать в мобильных устройствах начертание линий, прямоугольников, кругов и копирование группы элементов. Механизм ускорения двумерной графики способствует ускорению работы всей системы применения, поскольку освобождает главный процессор системы от трафика содержимого дисплея. Команды реализуются непосредственно в контроллерах модуля дисплея и высвобождают вычислительную мощность процессора для выполнения других, не связанных с дисплеем функций. Разгрузка системного процессора предоставит разработчикам мобильных приложений большую гибкость в выборе типа системного процессора, что также существенно снижает влияние трафика данных на дисплей и на максимальную производительность соединения и позволяет реализовать более высокое разрешение. Последние поколения микроконтроллеров для мобильных применений, относящихся к понятию системы на кристалле, лишены части указанных выше недостатков. Эти МК имеют интегрированные 2D/3D-ускорители, JPEG/MPEG-декодеры/энкодеры, большой объем видеопамяти на кристалле и т.д. Но для большинства мобильных измерительных приборов применение подобного решения неоправданно, т.к. оно немедленно приводит к увеличению стоимости изготовления плат (поскольку, в основном, подобные СнК ставят в BGA-корпуса), а также организации довольно сложной системы питания. Подобные системы требуют установки операционной системы (Linux/Windows).
Таблица 2. Дисплеи со встроенными контроллерами Диагональ, Разрешение, Название модели дюйм. точек
3,5
PH320240T-015-I-Q
3,5
PH320240T-015-I02Q (с T/P)
Размер модуля, мм
Яркость Контроллер (кд/м2) TFT-дисплеи
SSD1928
16-битный параллельный (8080) или последовательный (SPI); ШИМ регулировка яркости 16-битный параллельный (8080) или последовательный (SPI); контроллер сенсорной панели, ШИМ регулировка яркости
260
SSD1963
105,5×67,2×8,0 144,0×104,6×12,8
16-бит параллельный интерфейс с МК 8080 или 6800
500
SSD1926R1
144,0×104,6×14,3
400
640×RGB×480 144,0×104,6×12,8
450
800×RGB×480 165,0×104,00×8,6
220
76,9×63,9×8,5
180
320×RGB×240
4,3 4,3
48
5,7
7,0
PH480272T-005-I10Q (with T/P) PH480272T-005-I09Q MTF-TQ57SN741-AV MTF-TQ57SP741-AV (with T/P) MTF-TV57NN831-AV (with T/P) MTF-TW70SN911-AV (with T/P)
Интерфейс
76,9× 63,9×9,75
480×RGB×272
320×RGB×240
105,5×67,2×9,2
130
Диапазон рабочих темп./ диапазон темп. хранения
–20...70/–30...80
Цифровой 24-бит RGB CPU intеrface LVDS
–30...80/–40...85
OLED-дисплеи 2,0
ОМА0000000007
176×RGB×220
OSD020AMQCIF-C (OSD) 2,4 2,8
ОМА0000000008 PPT9999-A003-08 –Q
*
175 37,3×50,25×1,6 S6E63D6
240×RGB×320
42,0×59,0×1,65 50,0× 68,0×1,8
200
Параллельный (8080) 18-/16-/9-/8-бит или последовательный Параллельный (8080/6800) 18-/16-/9/8-бит или последовательный Параллельный (8080) 18-/16-/9-/8-бит или последовательный Последовательный (3-проводной (SPI) или цифровой 24-/18-8-бит RGB
–20...60/–40...85 –40...70/–40...80
–20...60/–40...85
Reflective TFT — дисплеи, которые имеют полностью отражающий зеркальный слой. Внешний свет или излучение передней подсветки при прохождении сквозь ЖКД отражаются от зеркального слоя и снова проходит через ЖКД.
WWW.ELCP.RU
Существует еще одно решение, позволяющее провести модернизацию прибора без основательного изменения его схемотехники. Это использование графического контроллера на основе ПЛИС. К примеру, фирма КТЦ-МК разработала линейку подобных устройств. Модули видеоконтроллера СЕ310-ХХ позволяют выводить информацию на TFT-дисплеи с помощью микроконтроллера, не имеющего встроенного контроллера ЖКД. Особенности модулей: – параллельный 16-битный интерфейс; – управление яркости подсветки (16 ступеней); – одно напряжение питания; – потребляемый ток 30/60 мА (регенерация экрана/ запись + регенерация). Интерфейс управления модулей очень прост. Для вывода точки произвольного цвета в произвольный адрес активной области TFT-панели в модуль загружается следующая последовательность из трех слов: координата точки по Х и уровень яркости подсветки; координата точки по Y; цвет точки. В настоящий момент доступны версии видеоконтроллеров для управления 7-дюймовыми дисплеями (800×480) и 5,7-дюймовыми (640×480). Возможна разработка подобных модулей под дисплей заказчика. При проектировании переносных приборов актуальными становятся вопросы энергосбережения и эксплуатации при неблагоприятных условиях, например низкая температура, повышенная влажность, механические воздействия и т.д. Работа с мобильными устройствами при дневном свете — одна из актуальных проблем эксплуатации приборов при ярком солнечном свете. На данный момент, если говорить о цветных дисплеях, только reflective TFT* с передней подсветкой является единственным вариантом, обеспечивающим удовлетворительное качество отображения в этих условиях. У большинства фирм-производителей дисплеев в портфеле обязательно присутствуют линейки дисплеев, ориентированных на применение в мобильных устройствах (см.,
например, таблицу 2 с номенклатурой TFT-дисплеев фирм Powertip и Microtips формата 2,8-…7-дюймов, ориентированных на использование в мобильной аппаратуре [1]). Бытует мнение, что использование в мобильных приборах OLED-индикации приводит к существенной экономии в энергопотреблении. На наш взгляд, это справедливо только в случае малоформатных монохромных дисплеев OLED (до 2 дюймов). Перед выбором полноцветного OLED-дисплея формата 2...3 дюйма разработчики должны проанализировать характер выводимой информации. Если это, в основном, текст с малым количеством графической информации, то выбор в пользу OLED целесообразен. Если же основной массив выводимого изображения — графическая информация, к тому же полноцветная, то выигрыш в энергопотреблении сомнителен. Конечно, можно значительно снизить интенсивность цвета выводимого на дисплей изображения, снизив тем самым потребление, но в этом случае разработчик лишится основного преимущества OLED-дисплеев — высокой контрастности, яркости и цветонасыщения выводимого изображения. Монохромный OLED-дисплей того же формата и разрешения, что и полноцветный, потребляет энергии минимум в три раза меньше, т.к. активная точка цветного дисплея — это три пиксела RGB. Особенно критично, с точки зрения потребления энергии, отображение белого цвета, поскольку в этом случае задействованы все три пиксела. Один из крупных производителей OLED-дисплеев, фирма UNIVISION, Тайвань, поддерживает широкую линейку дисплеев различного формата. Имеющаяся номенклатура предоставляет производителям переносной аппаратуры подобрать оптимальную модель индикатора [3]. ЛИТЕРАТУРА 1. http://cec-mc.ru/components/193.html.
электронные компоненты №11 2009
49
PLC-ТЕХНОЛОГИИ. Часть 2
Виктор Охрименко, нач. отд., Государственный НИЦ прикладной информатики В этой части статьи (начало см. в ЭК10) рассмотрены преимущества и недостатки современных технологий высокоскоростной передачи данных по электросетям. Эти передовые технологии активно продвигаются международными и европейскими ассоциациями и альянсами — HomePlug Powerline Alliance, OPERA, UPA, HD-PLC и др. Особое внимание уделено пакету спецификаций HomePlug. Введение
Во второй части статьи рассмотрены основные характеристики современной широкополосной и узкополосной PLC-технологии HomePlug [1—5]. Чтобы по достоинству оценить возможности и преимущества PLCтехнологии и растущий к ним интерес, в таблице 1 даны сравнительные характеристики технологий высокоскоростной передачи данных [1]. Одна из областей применения PLCтехнологии — домашние и малые офисы (Small Office/Home Office — SOHO), что обусловлено простотой реализации сети и мобильностью устройств, созданных на базе этой технологии. Как правило, в каждом помещении имеется одна, две, а, возможно, и более
электрических розеток. Эти точки соединения позволяют легко и просто с небольшими затратами создавать сети передачи данных для различных приложений, поскольку любое подключаемое к электросети устройство может одновременно быть подключенным и к информационной сети с использованием PLC-модема (см. рис. 1). Как правило, при создании домашней или офисной сети используются электросети низкого напряжения. Другие возможные области применения PLC-технологии [1—5]: – широкополосные системы передачи данных; – системы безопасности; – системы управления уличным освещением;
– системы автоматизации; – системы «умного дома»; – диспетчерские системы; – системы сбора информации датчиков расхода; – промышленные системы мониторинга и управления. Одним из камней преткновения на пути широкого распространения PLC-технологии является проблема электромагнитной совместимости, в т.ч. с радиолюбительскими службами. Единого стандарта требований к ЭМС нет, поэтому в каждой стране существуют свои нормативные документы. Источниками помех в обычных домах и офисах могут быть обычные устройства для зарядки аккумуляторов мобильных телефонов, регулято-
Таблица 1. Сравнительные характеристики проводных и беспроводных технологий Технология
Стандарт
Спутниковая связь UMTS WLAN DTT LMDS/WiMax
DVB, ETSI 3GPP IEEE802.11, ETSI DVB, ETSI IEEE802.16,ETSI
Тип трафика (физическая среда передачи)
Топология сети Беспроводные
асимметричный симметричный
многоточечная
Терминал
Расстояние, км
стационарный/мобильный
в зоне прямой видимости 0,05…3 0,05…0,15 32 в зоне прямой видимости 3 (F =26 ГГц), 8 (F = 3,5 ГГц)
мобильный стационарный
Проводные HFC FTTx
Сети и интерфейсы
50
xDSL PLC EFM
асимметричный DOCSIS, DVB (оптоволокно/коаксиальный кабель) симметричный FSAN, ITU-T (оптоволокно/медная витая пара) ITU-T, ETSI асимметричный (витая пара) PLC-Forum, симметричный (электросети среднего CENELEC, ETSI, IEEE и низкого напряжения) симметричный IEEE802.3ah (витая пара/оптоволокно)
многоточечная точка-точка/ многоточечная точка-точка
40 20 стационарный
0,3…6,0
многоточечная
0,2 (220…380 В)
точка-точка/ многоточечная
0,75…2,7
UMTS (Universal Mobile Telecommunications System — универсальная система мобильной связи). Стандарт сотовой связи третьего поколения. WLAN (Wireless LAN — беспроводная локальная сеть). DTT (Digital Terrestrial Television — цифровое телевидение). Технология, обеспечивающая большее число каналов с улучшенным качеством изображения и звука при приеме на традиционные наземные антенны в сравнении со спутниковым или кабельным телевидением. LMDS (Local Multipoint Distribution Service — локальная многоточечная распределенная служба). Используется в системах беспроводной связи. HFC (Hybrid Fiber Coaxial Cable — комбинированная оптокоаксиальная кабельная система). Используется в технологии широкополосного доступа к телекоммуникационным сетям. FTTx (Fiber to the x — оптоволоконный кабель к потребителю). Например, FTTC (Fiber to the Curb or Cabinet), FTTB (Fiber to the Building) или FTTH (Fiber to the Home). Технология построения сети с доведением волоконно-оптической связи до бытового потребителя. ADSL (Asymmetrical Digital Subscriber Line — асимметричная цифровая абонентская линия). EFM (Ethernet in the First Mile — Ethernet первой/последней мили). DVB (Digital Video Broadcasting — цифровое видео- и телевещание). Европейский проект цифрового телевещания. ETSI (European Telecommunications Standards Institute — Европейский институт стандартизации электросвязи). Официальный орган ЕС. 3GPP (3rd Generation Partnership Project). Консорциум, разрабатывающий спецификации для мобильной телефонии третьего поколения. DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification — спецификация интерфейса кабельных систем передачи данных). DOCSIS — стандарт, определяющий способ связи между модемами с использованием каналов кабельного телевидения. FSAN (Full Services Access Network). Консорциум FSAN создан для разработки стандарта пассивных оптических сетей.
www.elcp.ru
Рис. 1. Структура домашней PLC-сети
рается в соответствии с действующими региональными стандартами. В США действует стандарт FCC, в Европе — CENELEC (Commission Européenne de Normalisation Électrique — Европей ского комитета по электротехническим стандартам). В стандарте CENELEC определены для использования четыре диапазона частот в полосе 3…149 кГц. Нормы на уровень высокочастотного электромагнитного излучения приведены в соответствующих стандартах — FCC Part15 subpart B/C, EN/IEC 61131-2, EN 55011, Class A/EN/IEC 61000-6-4 и др. Еще одна насущная проблема, имеющаяся, собственно, во всех без исключения технологиях передачи информации, — защита данных. Однако для домашних сетей, в отличие от офисных, важнее защита от проникновения в сеть злоумышленников, а не утечка информации. Беспроводные сети более уязвимы для несанкционированного доступа, поскольку в этой технологии для передачи данных используется электромагнитное излучение, а его можно контролировать в любой точке как внутри помещения, так и вне его. Чтобы злоумышленник получил доступ к сети PLC, ему необходимо физически подключиться, например, к домашней розетке или, по крайней мере, к домашней электропроводке. В PLC-технологиях для защиты информации используются криптографические алгоритмы, в т.ч. и AES (Advanced Encryption Standard — улучшенный стандарт шифрования) с 256-разрядными ключами, что гарантирует такую же высокую защищенность трафика, как в других проводных технологиях. Если PLC-технологию сравнивать с еще одной проводной технологией HomePNA (Home Phoneline Networking Alliance), то, принимая во внимание простоту построения сети, технология PLC предпочтительнее, т.к.
Рис. 2. Спектральная плотность распределения напряжения помех в электросети
число телефонных розеток в квартире обычно меньше, чем электрических (www.homepna.org). Кроме того, для подключения абонентского оборудования к PLC-сети требуется один кабель, а в HomePNA как минимум — два: телефонный и кабель питания. ТЕХНОЛОГИИ И СТАНДАРТЫ
Львиная доля PLC-рынка (примерно 50—65%) принадлежит американской компании Intellon, которая выпускает совместимые со спецификациями компоненты, продвигаемыми альянсом HomePlug Powerline Alliance. Испанской компании DS2 (Design of Systems on Silicon Corporation) принадлежит примерно 15—20% рынка. Продукция этой компании выпускается в соответствии со спецификациями, поддерживаемыми ассоциацией UPA (Universal Powerline Association). Большой вклад в разработку этих спецификаций и PLCтехнологии внес европейский альянс OPERA (Open PLC European Research Alliance). Примерно 10—20% продукции на рынке выпускается в соответствии со спецификациями, предложенными японской корпорацией Panasonic и продвигаемыми на рынок альянсом HD-PLC (High-Definition Powerline Communications). В этот альянс входят влиятельные японские компании. HOMEPLUG
В 2000 г. ведущие производители электронного оборудования (Cisco,
Рис. 3. Лицензируемые частотные диапазоны
электронные компоненты №11 2009
51 Сети и интерфейсы
ры яркости свечения галогенных ламп и даже обыкновенные фены, а также другие бытовые приборы. В результате работы этих и других приборов уровень помех в электросети в полосе 4…21 МГц увеличивается относительно теплового шума проводов примерно на 25 дБ [2]. Помехи, создаваемые компрессорами систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, расположены в частотном диапазоне ниже 500 кГц, но их уровень существенно выше. Кроме того, широкое распространение уже выпущенного низкоскоростного оборудования для средств домашней автоматизации, к примеру, разного рода устройств на базе уже устаревшей технологии X10, также существенно увеличивает уровень помех на частотах ниже 500 кГц. Следует также учитывать, что многие источники генерируют помехи, синхронизированные с напряжением в линии. Эти помехи небольшой длительности возникают в моменты, когда амплитуда синусоидального напряжения частотой 50/60 Гц достигает максимумов. По многим причинам одна из ключевых проблем при разработке PLCтехнологии — выбор рабочей полосы частот для передачи данных по электросетям. В результате многочисленных исследований и измерений уровня помех в электросетях была определена спектральная плотность распределения напряжения помех (см. рис. 2) [2]. Как видно из рисунка, частотный диапазон ниже 500 кГц отличается очень большим уровнем помех. При выборе частотного диапазона необходимо также учитывать существующие нормативные ограничительные документы для того, чтобы обеспечить ЭМС оборудования. В соответствии со спецификациями FCC (Federal Communication Commission — Федеральная комиссия США по средствам связи), частотный диапазон 525…1,71 МГц используется для средневолнового радиовещания, а полоса 1,8…2,0 МГц отведена для радиолюбительской, аэронавигационной и аварийной связи (см. рис. 3). На частотах выше 2 МГц уровень помех существенно ниже. Поэтому, чтобы не создавать проблем, в лицензируемом диапазоне частот для широкополосной PLC-связи был выбран диапазон частот 4…30 МГц. Для узкополосной технологии (к примеру, HomePlug Command and Cont rol) с максимальной скоростью передачи данных 7,5 Кбит/с, ориентированной на использование в устройствах управления уличным освещением, системах сигнализации, вентиляции/ кондиционирования, системах регистрации расхода электроэнергии, тепла и т.д., полоса частот, в которой осуществляется передача данных, выби-
Сети и интерфейсы
52
Compaq, Enikia, Intel, Intellon, Motorola, 3Com, Texas Instruments и др.), так или иначе заинтересованные в развитии PLC-технологии, объявили о создании альянса HomePlug Powerline Alliance. Эта организация была призвана упорядочить процесс разработки новых технологий передачи данных по электросети и выработать единую систему открытых спецификаций. Образование альянса HomePlug явилось, по сути, запоздалой реакцией ведущих производителей на существующую ситуацию на PLC-рынке, поскольку уже много лет небольшие мобильные компании разрабатывали, производили и внедряли соответствующее PLC-оборудование. Штаб-квартира альянса HomePlug Powerline расположена в г. Сан-Рамон (Калифорния). По форме членства компании-участники альянса разделены на четыре группы: спонсоров и организаторов (Cisco, Gigle, Comcast, GE Energy, Intel, Intellon, NEC, Motorola и Spidcom) — представителей компаний, принимающих участие в руководстве альянсом (членов совета директоров); постоянных участников, в число которых входят представители компаний Arkados, Corporate System Engineering, Renesas, Texas Instruments и Yitran; группы из более чем 20 компаний в ранге участников и ассоциированных членов, которых сегодня насчитывается более 40 (www.homeplug.org/about/structure). Первый стандарт HomePlug 1.0 появился благодаря усилиям альянса в 2001 г. В этом стандарте во многом использовались достижения одного из наиболее удачливых его прототипов (имеются в виду спецификации Intellon PowerPacket, разработанные амери канской компанией Intellon). Интересно отметить, что вслед за разработ кой первого варианта спецификаций HomePlug 1.0 последовал этап испытаний в сети, обслуживающей примерно 500 зданий, и лишь успешное тестирование созданной сетевой инфраструктуры позволило перейти к выпуску официальной версии стандарта. Уже в прототипе Intellon PowerPacket был использован метод OFDM-модуляции (Orthogonal Frequency Division Mul tiplexing — мультиплексирование с ортогональным частотным разделением) с возможностью адаптации к параметрам физической среды передачи. В основе технологии, предложенной в стандарте HomePlug 1.0, лежит
метод передачи, при котором высокоскоростной поток данных разделяется на несколько относительно низкоскоростных потоков, каждый из которых передается на отдельной поднесущей с последующим объединением данных. Упрощенно принцип OFDM-модуляции проиллюстрирован на рисунке 4. В частотном диапазоне 4,5…21 МГц для передачи данных может быть сформировано до 84 поднесущих частот (т.е. 84 параллельных канала). При этом обеспечивается пиковая скорость передачи данных до 14 Мбит/с (средняя скорость — примерно 3…5 Мбит/с). Выбор поднесущих частот зависит от параметров канала (в т.ч. от помех в рабочей полосе частот). При узкополосных помехах в канале искажается только часть поднесущих, а не весь сигнал. В результате мониторинга параметров канала связи можно скорректировать значения поднесущих частот. Кроме того, увеличение длительности OFDM-символа на величину защитного интервала (Guard Interval — GI) позволяет избавиться от проблемы межсимвольной интерференции [2—4]. Метод OFDM-модуляции в настоящее время широко используется в технике связи, в т.ч. в мобильной связи. Для модуляции поднесуших в стандарте HomePlug 1.0 предусмотрено использование модуляции следующих видов: – BPSK (Binary Phase Shift Keying — двухпозиционная фазовая манипуляция); – DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying — дифференциальная двоичная фазовая манипуляция); – DQPSK 1/2 и DQPSK 3/4, которые являются модификациями DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying — дифференциальная квадратурная фазовая манипуляция) [2—4]. Высокая эффективность технологии HomePlug 1.0 обеспечивается за счет возможности перераспределения мощности сигнала в рабочей полосе частот. Для этого реализованы следующие механизмы: – адаптации к реальным помехам за счет отключения некоторых поднесущих; – оперативной смены вида модуляции поднесущих частот (DBPSK/DQPSK); – снижения скорости передачи данных для повышения помехоустойчивости (за счет смены вида модуляции и метода кодирования на DQPSK 1/2,
DQPSK 3/4, DBPSK 1/2 или комбинированный метод ROBO). В таблице 2 приведены соотношения между используемыми видами модуляции поднесущей и скоростью передачи данных [2—4]. В спецификациях уровня MAC (Media Access Control) имеется ссылка на использование модели, принятой в стандарте IEEE 802.3 (Ethernet). В стандарте HomePlug 1.0 реализованы также механизмы поддержки концепции QoS (Quality of Service — качество обслуживания). Для коррекции ошибок и увеличения достоверности обмена данными в канале предусмотрено использование кодирования с применением блочных кодов Рида-Соломона. Стандарт HomePlug AV появился в 2005 г. Это стандарт высокоскоростной передачи больших объемов данных по домашним электросетям, что позволяет передавать потоки данных цифрового телевидения высокой четкости и VoIP (Voice over IP — передача голоса с использованием интернет-протокола). Диапазон рабочих частот — 2…28 МГц, а обеспечиваемая на физическом уровне пиковая скорость передачи составляет 200 Мбит/с [4]. На MAC-уровне скорость снижается уже до 100…150 Мбит/с. При этом следует четко представлять, что скорость 200 Мбит/с достижима только при соединении типа точка-точка, а в сети скорость передачи зависит от количества узлов и уменьшается с ростом их числа. В HomePlug AV пре дусматривается возможность генерации до 1155 поднесущих в используемом диапазоне частот (см. рис. 5). В спецификациях HomePlug AV предусматривается использование стандарта шифрования данных AES (Advanced Encryption Standard — улучшенный стандарт шифрования), в котором применяются ключи длиной 128 бит. Чтобы достичь теоретически возможной пропускной способности канала передачи в стандарте HomePlug AV, рекомендуется применять избыточное кодирование (Forward Error Correction — FEC) с использованием сверточных турбокодов (Turbo Convolutional Codes), которые были впервые применены и запатентованы французской компанией France Telecom. Применение методов избыточного кодирования позволяет без повторной передачи данных обеспечить высокую достоверность информации. Таблица 2. Соотношения между видами модуляции поднесущей и скоростью передачи данных Наименование
а)
б)
Рис. 4. Спектр широкополосного сигнала с одной несущей (а), спектр OFDM-сигнала со многими несущими (б)
www.elcp.ru
DQPSK 3/4 DQPSK 1/2 DBPSK 1/2 ROBO
Скорость передачи, Мбит/с 13,78 9,19 4,59 1,02
ПРОИЗВОДИТЕЛИ
Лидером в производстве и разработке электронных компонентов для оборудования, поддерживающего спецификации HomePlug, является американская компания Intellon (www.intellon.com). Кроме того, имеются и другие изготовители компонентов, поддерживающих спецификации HomePlug — это, например, французская компания SPiDCOM Technologies (www.spidcom.com/en)
Рис. 5. Распределение спектра в стандарте HomePlug AV
и израильская Yitran Communications (www.yitran.com). Девиз компании Intellon — No New Wires (дословно: «Нет новым проводам»). Компания выпускает ряд микросхем для создания PLC-сетей: – INT 5200 (HomePlug 1.0); – INT 5500 (HomePlug 1.0 with Turbo); – INT 6300/6400 (HomePlug AV). Последняя разработка компании — набор микросхем, включающий PLCмодем INT6400 и приемопередатчик INT1400, предназначенные для создания PLC-сетей. PLC-модем INT6400 полностью поддерживает спецификации HomePlug AV на MAC- и PHY-уровнях. Микросхема содержит АЦП и ЦАП для подключения к приемопередатчику INT1400, контроллер SDRAM-памяти и порт Ethernet с интерфейсом MII (Media Independent Interface). Микросхема INT6400 выпускается в корпусе типа 196-LBGA, INT1400 — в корпусе 32-QFN размерами 5×5 мм. Компания SPiDCOM предлагает микросхему PLC-модема SPC300 (HomePlug AV SoC). Вычислительное ядро создано на базе двухъядерной архитектуры. Поддерживаются внешние коммуникационные (10/100/1000 Ethernet MAC с протоколами физического уровня RMII/ MII/GMII) и мультимедийные интерфейсы (PCM, I2S и MPEG TS). Кроме того, реализованы интерфейсы UART, SPI и параллельный 8-разрядный порт. Также поддерживается стандартный протокол обмена данных с микросхемой АЦП/ЦАП AD9867 (Analog Devices). Реализована возможность работы в среде Linux v2.6. На физическом и канальном уровнях SPC300 полностью совместима со спецификациями HomePlug AV, а, кроме того, поддерживается ее работа в сети, построенной на базе более ранних спецификаций HomePlug 1.0. На физическом уровне имеется возможность использования модуляции типа 1024/256/64/16/8-QAM, QPSK, BPSK и ROBO. При формировании пакетов данных применяется 128-разрядное шифрование, а также используется избыточное кодирование с применением сверточных турбокодов. Микросхема SPC300 выпускается в корпусе типа 265-PBGA и имеет размеры 15×15 мм. На смену PLC-модемам серии IT800 компания Yitran разработала в 2009 г. новую микросхему IT700 (HomePlug C&C). PLC-модем IT700 содержит усо-
вершенствованное процессорное ядро 8051, флэш-память объемом 256 Кбайт, память типа RAM — 16 Кбайт, 24 линии ввода/вывода общего назначения и приемопередатчики линии, используемые в микросхеме IT800. Связь с внешними устройствами осуществляется через интерфейс UART, SPI или I2C. PLC-модем IT700 поддерживает работу в частотных диапазонах, выделенных соответствующими организациями стандартизации для высокочастотной связи по электросети в США и странах Европы. Благодаря применению модуляции типа DCSK, а также использованию встроенных средств обработки сигнала работа модема обеспечивается даже при динамическом диапазоне сигнала 85 дБ. Микросхема IT700 выпускается в корпусе типа 56-QFN и имеет размеры 7×7 мм. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Применение современных методов обработки сигналов и кодирования данных, которые давно и успешно используются в широкополосных беспроводных и проводных технологиях (xDSL, WiMax, Wi-Fi, мобильной связи и др.) позволило достичь в PLC-технологии высокой скорости (до 200 Мбит/с) и достоверности передачи данных. Учитывая широкое распространение низковольтных электрических сетей, PLC-технология особенно привлекательна для использования в домашних сетях и небольших офисах. ЛИТЕРАТУРА 1. White Paper: Comparison of Access Technologies. — OPERA Consortium, 2009 (www.ist-opera.org). 2. HomePlug 1.0 PHY for Smart Grid and Electric Vehicle Applications. — Intellon, 2008 (www.intellon.com). 3. HomePlug 1.0. Technology. White Paper. — HomePlug Powerline Alliance, 2008 (www.homeplug.org). 4. HomePlug AV. White Paper. — HomePlug Powerline Alliance, 2008 (www.homeplug.org). 5. HomePlug Command & Control (C&C). Overview. White Paper. — HomePlug Powerline Alliance, 2008 (www.homeplug.org). Таблица 3. Соответствие скорости передачи региональным стандартам Скорость передачи, Кбит/с Стандарт 7,5/5,0/1,25 FCC 2,5/0,625 CENELEC
электронные компоненты №11 2009
53 Сети и интерфейсы
Кроме того, в зависимости от состояния канала между передатчиком и приемником предусматривается возможность оперативного изменения вида модуляции на каждой из поднесущих. Например, переход с модуляции BPSK на 1024 QAM (Quadrature Amplitude Modulation — квадратурная амплитудная модуляция) позволяет увеличить скорость передачи на несущей в 10 раз (с 1 до 10 бит/канал). Разновидностью стандарта Home Plug AV можно считать появившийся несколько ранее стандарт HomePlug Turbo со скоростью передачи 85 Мбит/с. Устройства, поддерживающие стандарт HomePlug AV, автоматически удовлетворяют спецификациям предшествующего HomePlug 1.0. Стандарт низкоскоростной передачи информации HomePlug Command and Control v1.0 (HomePlug C&C) был представлен в 2007 г. Основу спецификаций HomePlug C&C составляет узкополосная технология передачи данных по электросети, предложенная израильской компанией Yitran Communications (www.yitran.com/index.aspx?id=3325). Эта технология ориентирована на использование в системах сигнализации, вентиляции и кондиционирования, системах регистрации потребления электроэнергии, воды, тепла и т.д. Она также позволяет решать достаточно простые задачи объединения приборов и устройств в рамках концепции «умного дома». Преимуществом этой версии стандарта является низкая стоимость оборудования. Спецификации HomePlug C&C включают три уровня сетевой модели OSI — PHY, MAC и NL (Network Layer). Спецификации NL находятся на стадии утверждения [5]. На физическом уровне используется предложенная компанией Yitran модуляция типа DCSK (Differential Code Shift Keying — дифференциальная кодовая манипуляция) с расширением спектра, а также механизмы коррекции ошибок. Способ модуляции DCSK был запатентован (US Patent No.6,064,695) компанией Yitran еще в 2000 г. В зависимости от используемого диапазона рабочих частот, в соответствии с действующими региональными стандартами предусмотрены следующие скорости передачи данных: 7,5/4,5/2,5/1,25/ 0,625 Кбит/с (см. табл. 3).
Усовершенствованный стандарт электропитания через Ethernet — PoE+ Кристофер Гобок (Christopher Gobok), инженер по маркетингу продукции, Linear Technology Corp. В 2003 г. появился стандарт питания через Ethernet (PoE) IEEE 802.3af, который обеспечивал передачу постоянного напряжения одновременно с передачей данных со скоростью 10/100/1000 Мбит/с. Этот стандарт определил номинальную передаваемую мощность 12,95 Вт — более чем приемлемое значение для VoIP-телефонии, видеокамер для систем безопасности и точек беспроводного доступа (WAP). Однако со временем возникла потребность в расширенных возможностях PoE, которым отвечает усовершенствованная спецификация PoE+. PoE-технология нашла широкое применение в промышленности, а потребность в дополнительных функциях и более высокой мощности значительно выросла. Например, благодаря расширенным возможностям этого стандарта видеокамеры обеспечивали бы более качественное изображение, точки беспроводного доступа — передачу более мощного сигнала на большие расстояния, а VoIP-телефоны — поддержку видео и периферии. Для поддержания дополненной функциональности устройств PD (powered devices) требуется использовать оборудование (PSE) большей мощности, чем предусмотрена стандартом PoE. В итоге на базе спецификации IEEE 802.3af был разработан стандарт IEEE 802.3at, известный также как PoE+.
PoE+
Одним из аспектов, требующих тщательной инженерной проработки, стал новый механизм классификации, который позволил бы питающим и запитываемым устройствам взаимно определять друг друга. Благодаря этой возможности PSE-оборудование обеспечивает требуемое питание не только PD-устройств стандарта 802.3.af (т.н. оборудование первого типа), но и PD-устройств 802.3at (оборудование второго типа); PD-устройствам 802.3.af — возможность получать питание от PSE-оборудования 802.3at, а PD-устройствам 802.3.at — установить, имеется ли необходимый для них уровень мощности. Для каждой из этих комбинаций требуется правильно определить совместимое поведение данных устройств для поддержа-
Сети и интерфейсы
54
Рис. 1. Классификация по двум событиям и протокол канального уровня
www.elcp.ru
ния способности к взаимодействию в рамках стандарта 802.3. Возможность взаимного определения устройств была реализована в PoE+ с помощью тщательно продуманного механизма классификации оборудования, а также нового механизма уровня данных. В PoE+ появилась классификация по двум событиям, когда питающее устройство дважды повторяет проверку по стандарту 802.3af. При каждом зондировании питаемого устройства формируется одиночный импульс тока (см. рис. 1), соответствующий определенному уровню мощности. Сначала питающее устройство генерирует импульс напряжения в диапазоне 15,5…20,5 В в двухпроводной линии данных или резервной линии. Запитываемое устройство отвечает PSE импульсом тока до 40 мА одного из четырех классов мощности. Двойной импульс является сигналом запитываемому устройству о том, что подключенное питающее оборудование действительно обеспечивает уровни подводимой мощности в соответствии с 802.3at. Запитываемое устройство стандарта 802.3at отвечает сигналом тока класса 4, сообщая питающему устройству о том, что нуждается в инжекции полной мощности. Метод классификации уровня 1 в 802.3af предусматривал необязательный для PSE запрос PD-устройства для определения потребности в питании. Однако в спецификации 802.3at PSEоборудование второго типа обязано выполнять классификацию устройств как минимум по одному событию. Усовершенствовав метод классификации оборудования, группа разработчиков стандарта PoE+ определила классификацию нового уровня данных (уровень 2) — протокол канального
событиям для запроса питания большой мощности. Протокол LLDP использует уровень данных, и потому контроллеры оконечного устройства питания могут связываться с запитываемым устройством с помощью этого дополнительного метода классификации. У PoE-систем имеются две нагрузки, для которых определяется мощность, — выходной разъем питающего оборудования и входной разъем запитываемого устройства. Одним из наиболее значимых достижений спецификации PoE+ является увеличение тока до 600 мА. Это значит, что PSE-устройство должно обеспечить в непрерывном режиме ток, по крайней мере, 600 мА при минимальном выходном напряжении 50 В, что соответствует мощности в 30 Вт. При расчетном сопротивлении кабеля не более 12,5 Ом на разъеме запитываемого устройства достигается мощность величиной 25,5 Вт. Учитывая эффективность преобразования в 48-В шине, на выходную PD-нагрузку поступает мощность 24,6 Вт. Разумеется, потребность в большей мощности — требование рынка, и в настоящее время уже появилась острая необходимость в силовых решениях PD, мощность которых превышала бы предлагаемые 12,95 Вт. Существует множество сетевых устройств, нуждающихся в большей мощности питания. Чтобы решить эту задачу, следует проектировать системы с помощью новых питающих и запитываемых устройств стандарта PoE+ (например, компании Linear Technology), которые позволяют вписаться в бюджет энергопотребления в рамках новой спецификации и даже повысить потребляемую мощность в приложениях собственной разработки. Устройства PSE стандарта PoE+
В настоящее время производители оборудования PSE стремятся как можно быстрее установить в сети мощные порты PoE+. Для обновления существующего оборудования PSE в соответствии со спецификацией PoE+ требуются: – магнитные компоненты, применение которых при большем токе подмагничивания не вызовет повышения частоты ошибок;
– новый контроллер питающего оборудования с более высоким порогом пропускаемого тока; – МОП-транзисторы с большей областью устойчивой работы (в зависимости от используемого чипа контроллера); – большая мощность потребления от энергосети; – модернизация таких компонентов как разъемы, предохранители, дроссели, защитные диоды от перенапряжения, возникающего при переходных процессах, токочувствительные резисторы и фильтры электромагнитных помех. Магнитные компоненты и полупроводники, используемые в стандарте 802.3af, во многих случаях можно легко заменить эквивалентами 802.3at. Несмотря на то, что при переходе оборудования PSE от 802.3af к 802.3at в системе требуется произвести множество изменений, мы рассмотрим только ключевой компонент, облегчающий этот переход, — контроллер PoE+ PSE. LTC4266 компании Linear Technology (см. рис. 2) представляет собой первый контроллер PSE с четырьмя портами, полностью совместимый с 802.3at и обратно совместимый с популярным контроллером LTC4259A, используемым в 802.3af. Он не только обеспечивает запитываемые устройства мощностью тех уровней, которые предусматривает новый стандарт, но и обратно совместим с оригинальным стандартом PoE, позволяя совместно использовать до четырех PD-устройств PoE и PoE+ в различных комбинациях. Как уже отмечалось, в соответствии со спецификацией 802.3at питающее оборудование должно обеспечивать выходную мощность 30 Вт на разъеме PSE, так чтобы после потерь в кабеле на запитываемое устройство подавалось 25,5 Вт. Контроллер LTC4266 обеспечивает 30 Вт, обладая значительно меньшей теплоотдачей. При проектировании PSE следующего поколения важно выбрать инжектор мощности более высокого уровня, функционирующий в соответствии с новыми механизмами классификации и обеспечивающий надежную и эффективную работу PoE-системы. Контроллер LTC4266 имеет чрезвычай-
электронные компоненты №11 2009
55 Сети и интерфейсы
уровня (LLDP) для связи между питающим и запитываемым устройствами. После установления канала связи эти устройства могут использовать LLDP для определения потребности PD в питании, а также для повторного запроса PSE-оборудованием PD-устройства, определения его статуса и потребности в питании. Этот механизм позволяет питающему оборудованию в динамическом режиме назначать PD-устройствам уровень мощности с шагом в 0,1 Вт, а эти устройства могут запрашивать питание, а затем отказываться от него. Связь на уровне 2 обладает дополнительными функциями опроса такой информации как пиковая мощность, средняя мощность и коэффициент заполнения. Важность новой функции назначения уровня мощности трудно переоценить с точки зрения растущих требований к экологичности систем. Протокол LLDP является необязательным механизмом классификации для PSE, но его необходимо реализовать на PD. Если PSEоборудование выполняет только классификацию по одному событию, то PD может запрашивать питание большей мощности по протоколу LLDP. На рисунке 1 показаны оба применяемых в PoE+ метода классификации. Известны два типа питающих устройств: промежуточные инжекторы (Midspan) и оконечные устройства питания (Endspan). Промежуточные контроллеры (или инжекторы мощности) вводят электропитание в Ethernet-кабели, располагаясь между коммутатором ЛВС (LAN) и запитываемым устройством PD. Промежуточные инжекторы обеспечивают сквозную передачу данных. Их применение целесообразно для установки питающего оборудования в существующие сети, т.к. при этом не требуется замены коммутатора. Оконечное устройство питания является коммутатором со встроенными функциями PoE, и потому его использование не требует промежуточного инжектора. Оконечные устройства питания применяются при построении новых сетей с нуля. Поскольку у промежуточных инжекторов имеется доступ только к уровню мощности, в PoE+ они используют классификацию по двум
Рис. 2. Четырехканальный PoE+ PSE-контроллер LTC4266 и PoE+ PD-контроллер LTC4269 с интегрированным импульсным стабилизатором
Сети и интерфейсы
56
но низкую теплоотдачу, что значительно упрощает тепловой расчет системы по сравнению с PSE-контроллерами, в которых используются менее прочные МОП-транзисторы с обычно более высоким сопротивлением RDS(ON). LTC4266 поддерживает внешние МОПтранзисторы, и в случае сбоя в работе порта из-за отказа МОП-транзистора не возникает эффекта домино, в результате которого прекращают функционировать соседние каналы. Высокая точность LTC4266 позволяет использовать низкоомные токочувствительные резисторы и, что важнее, МОПтранзисторы с низким значением RDS(ON) при управлении линейными током и напряжением. Минимальное значение токочувствительного резистора может составлять 0,25 Ом, а RDS(ON) — 0,09 Ом, благодаря чему максимальное общее сопротивление канала составляет половину значения этого параметра в случае с другими PSE-контроллерами. В результате отдача тепла значительно снижается, что позволяет разработчикам легко и с высокой надежностью применять LTC4266 без радиатора. Разработчики PSE-оборудования, не желающие самостоятельно проектировать устройства с нуля, имеют возможность воспользоваться новыми разъемными модулями PoETec PSE ICM (Integrated Connector Modules), которые предлагает ряд поставщиков, в т.ч. Molex, Tyco и Belfuse. В частности, предлагается элегантное 8- и 12-портовое решение с PSE-контроллером LTC4266. Устройства PD стандарта PoE+
Переход от стандарта 802.3af к 802.3at на стороне запитываемого устройства можно отчасти упростить или свести к замене нескольких компонентов, поскольку к их числу относятся мостовые выпрямители, PD-контроллер, DC/DC-контроллер и трансформатор, что позволяет соблюсти все требования к нагрузке по энергопотреблению. Вопрос теплоотдачи не стоит так остро для запитываемых устройств,
www.elcp.ru
в отличие от питающего оборудования, но в первую очередь необходимо добиться высокой энергоэффективности. Разработчики также должны решить вопрос о том, смогут ли PD-устройства работать от вспомогательного сетевого блока питания, и требуется ли изоляция нагрузки PD. Как и при модернизации PSE до стандарта PoE+, успешная реализация запитываемых устройств в большой степени зависит от PoE+ PD-контроллера. Для максимального увеличения эффективности PD-устройства необходимо решить ключевые вопросы. Так, при реализации изолированной схемы не следует использовать оптопары, которые обычно применяются в цепи обратной связи преобразователя. Наиболее важным решением может стать выбор гибкого PD-контроллера, позволяющего добиться высокого КПД решения. В качестве эталона компания Linear Technology приводит пример микросхемы LTC4269 с впечатляющим КПД равным 94% для изолированных цепей. Являясь эквивалентом LTC4266 (см. рис. 2), LTC4269 представляет собой полностью совместимый с IEEE 802.3at полнофункциональный контроллер со встроенным импульсным стабилизатором и вспомогательной поддержкой вплоть до 16 В. Несмотря на то, что стандарт 802.3at ограничивает мощность значением 25,5 Вт, у LTC4269 нет ограничений по току — контроллер может потреблять 30 Вт и более, что позволяет установить собственные уровни мощности и доступ к функциям PD-устройства вне спецификации PoE+. Контроллер имеет повышенную надежность за счет встроенного 100-В МОП-транзистора с возможностью горячей замены, который изолирует PD-контроллер и DC/ DC-преобразователь при обнаружении и классификации, обеспечивая также 100-мА пусковой ток для любого PSEоборудования. На рынке предлагаются две модели LTC4269 для оптимизации PD-решений. Разница между ними заключается в переключателях — в состав LTC4269 входит синхронный обратноходовой
контроллер, тогда как в LTC4269-2 встроен синхронный прямоходовой контроллер. Обратноходовой контроллер позволяет уменьшить число применяемых компонентов и создать требуемое количество выходов за счет дополнительной обмотки. Прямоходовой контроллер имеет немного более высокий КПД, по сравнению с обратноходовым устройством, при больших токах нагрузки. В обоих случаях синхронное детектирование позволяет повысить выходную мощность, КПД преобразования и улучшить перекрестную регулировку в приложениях с большим количеством выводов. Кроме того, в малошумящих системах контроллеры синхронизируются с внешним генератором. Следует заметить, что в LTC4269-1 применяется запатентованная топология обратной связи No-Opto компании Linear Technology, обеспечивающая полную изоляцию в соответствии с IEEE 802.3 без цепи оптопары [1]. Применение оптопары влечет за собой такие недостатки как обратная связь, в т.ч. переменный коэффициент усиления замкнутой цепи, определяемый допустимым отклонением параметров оптопары, а также чувствительность к высоким температурам и удорожание решения. Оптопару и параллельный стабилизатор в цепи обратной связи заменяют дополнительной обмоткой на трансформаторе, что позволяет улучшить стабилизацию, КПД и упростить схему. Заключение
PoE+ предусматривает большую мощность и лучшие методы классификации в уже существующих сетях PoE. Для совместимости с этим стандартом инжектор должен подавать 30-Вт мощность в линии данных или резервные линии, а PD-устройство — потреблять не более 25,5 Вт на входе разъема RJ45. Совместимое с PoE+ питающее устройство должно выполнять классификацию оборудования по одному событию; при этом классификация по двум событиям и классификация уровня данных по протоколу канального уровня являются необязательными механизмами. PD-устройство должно отвечать на попытку выполнить классификацию по двум событиям (посредством PD-контр оллера) и по протоколу канального уровня (посредством PD-микр оп роцессора). В настоящее время уже появились совместимые с PoE+ системы. ЛИТЕРАТУРА 1. Christopher Gobok, Power over Ethernet (PoE) grows up: it's now PoE+// w w w. i n d u s t r i a l co nt r o l d e si g n l i n e . co m / howto/219501121.
Компоненты Maxim для сигнальных цепей Константин Староверов В статье приведен обзор компонентов для сигнальных цепей компании Maxim Integrated Product, которые по совокупности рабочих характеристик идеальны для использования в измерительной аппаратуре, системах сбора данных и устройствах автоматики промышленного назначения. На протяжении нескольких лет Maxim Integrated Products (далее Maxim) — новатор в области аналоговой микроэлектроники — уверенно держится в десятке лучших производителей аналоговых компонентов. Компания была основана в начале 1980-х гг. группой инженеров и экспертов при участии таких легендарных личностей как Джек Гиффорд (Jack Gifford) и Дейв Фулагар (Dave Fullagar), стоявших у истоков создания первых операционных усилителей (ОУ). Спектр выпускаемых компонентов Maxim для сигнальных цепей представлен на рисунке 1. Операционные усилители
Широчайший ассортимент ОУ и инструментальных усилителей (ИУ) компании Maxim насчитывает около 170 наименований. Возможности этого ассортимента по удовлетворению разнообразных прикладных требований демонстрирует таблица 1, где представлена классификация ОУ и области их применения. Помимо многоканальных ОУ в качестве инструментов, позволяющих снизить себестоимость и уменьшить размеры конечных решений, пользователю доступны ОУ в ультраминиатюрных SMTкорпусах, в т.ч. UCSP (типоразмеры 1×1 мм, 1×1,5 мм, 1,5×1,5 мм, 1,5×2 мм), µDFN и SC70 (оба 2×2 мм) и ИУ (интег рируют не только прецизионные ОУ но и высокоточные
согласованные резисторы). Наконец, пользователь может выбрать ОУ для работы в стандартном промышленном температурном диапазоне –40…85°С, а также в расширенном диапазоне температур –40…125°С и даже в военном –55…125°С. В промышленных применениях, например в интерфейсах типа «токовая петля», очень часто возникает потребность в ОУ на повышенные напряжения питания (до 40 В). Некоторые примеры таких ОУ представлены в таблице 2. В частности, одиночный/сдвоенный ОУ MAX9943/44 (см. рис. 2) благодаря высокой нагрузочной способности идеален для применения в системах с питанием от токовой петли. В таких системах сдвоенный MAX9944 может служить основой для построения программируемого источника тока (см. рис. 2б). Данный ОУ имеет отличные рабочие характеристики, доступен в миниатюрных корпусах, оснащен защитой входов от дифференциального перенапряжения и способен работать с синфазными напряжениями на входах от VEE до VCC – 1,8 В, что очень важно для рассматриваемого применения, т.к. ОУ подключается непосредственно к длинной линии связи. При разработке высокоточных измерительных каскадов может оказаться выгодным использование инструментальных усилителей. Данные приборы выполнены на основе прецизионных ОУ по специальной схемотехнике
57 Рис 1. Компоненты Maxim для сигнальных цепей Таблица 1. Классификация ОУ Maxim и области их применения Классификация ОУ Maxim ОУ общего назначения
Области применения Недорогие, непрецизионные каскады обработки аналоговых сигналов и компараторы напряжения
); Малошумящие ОУ (с уровнем шума менее 15 нВ/ С малым входным током смещения (менее 150 пА) С малым напряжением смещения (менее 200 мкВ)
Прецизионные измерительные каскады и аналоговые интерфейсы
Быстродействующие (>100 МГц)
Аналоговые интерфейсы высокоскоростного телекоммуникационного оборудования, диагностическое оборудование, контрольно-измерительные приборы, тестовое оборудование, высокоскоростной сбор данных
Маломощные (с потребляемым током менее 20 мкА) С входом включения/отключения Относящиеся к типу rail-to-rail (означает, что напряжение на входе и/или выходе может изменяться в пределах уровней питания) Одиночные, сдвоенные, строенные или счетверенные ОУ
Электроника с батарейным питанием и прочая техника, к которой предъявляются жесткие требования по энергоэффективности Низковольтные аналого-цифровые системы с однополярным питанием, в т.ч. батарейным Оптимизация занимаемой на печатной плате площади и себестоимости конечного решения
электронные компоненты №11 2009
а)
б)
Рис.2. Расположение выводов (а) и пример применения (б) ОУ MAX9943/44
или даже архитектуре, которая обеспечивает простоту и гибкость реализации разнообразных высокоточных усилительных каскадов. Некоторые ИУ дополнительно содержат прецизионные резисторы, что способствует удешевлению и миниатюризации конечных решений. ИУ Maxim отвечают всем требованиям промышленных применений и имеют отличные рабочие характеристики. Сведения по некоторым современным ИУ Maxim приведены в таблице 3. В качестве примера рассмотрим более подробно ИУ MAX4208/MAX4209. Они выполнены по уникальной запатентованной Maxim архитектуре на основе двух усилителей с токовым выходом и с косвенной обратной связью по току (см. рис. 3а). Данная архитектура способствует полному использованию динамического диапазона входных дифференциальных сигналов, даже когда уровни синфазных напряжений близки к уровню общей цепи или ниже него. Эта особенность очень полезна в схемах с однополярным питанием, где в диапазон изменения преобразуемого сигнала входит уровень общей цепи. Обычные инструментальные усилители, выполненные на основе трех ОУ, не предоставляют такой возможности. MAX4208/ MAX4209 также поддерживают запатентованный способ компенсации смещения. В результате их напряжения смещения не превышают 20 мкВ при 25°C, 30 мкВ при 85°C и 40 мкВ при 125°C.
58
MAX4209 отличается от MAX4208 интеграцией задающих коэффициент усиления (КУ) резисторов. Этот ИУ выпускается в трех исполнениях: с коэффициентом усиления 10 (MAX4209T), 100 (MAX4209H) и 1000 (MAX4209K), при этом разброс коэффициента усиления не превышает ±0,25% при 25°C, ±0,3% при 85°C и ±0,35% при 125°C. Преимущества встроенной установки усиления демонстрирует схема контроля тока, представленная на рисунке 3в. Преимущества прецизионной работы с большим усилением MAX4209H состоят в простоте схемы контроля тока с очень малыми потерями мощности на токоизмерительном резисторе. Для более гибкого применения рассматриваемых ИУ в них дополнительно интегрированы буферные усилители. Они предназначены для буферизации сформированного делителем напряжения опорного уровня VDD/2, который необходим в схемах с однополярным питанием для восстановления симметричности динамического диапазона. Пример такой схемы показан на рисунке 3г. На нем приведена схема подключения мостового резистивного датчика к однополярному АЦП. Напряжение на выходе ИУ изменяется относительно заданного делителем R3, R4 опорного уровня VDD/2 в большую сторону, если дифференциальное напряжение на входах ИУ положительное, и в меньшую сторону, если дифференциальное напряжение отрицательное.
Таблица 2. Операционные усилители Maxim на повышенные напряжения питания Наименование MAX9943/44
Полоса Кол-во ОУ Напряжение Потребляемый ток пропускания, в корпусе питания, В каждого ОУ, мкА МГц 1/2
6…38
550
Напряжение смещения VOS, мкВ
2,4
<100
Дрейф VOS, Входной ток Шум, нВ/ Темп. диапазон, °С мкВ/°С смещения, нА 0,4
—
— –40…125
MAX9945
1
4,75…38
400
3
<5000
2
0,05
15
Корпус 6-TDFN 8-μMAX 8-TDFN/SO 6-TDFN 8-μMAX
Таблица 3. Инструментальные усилители Maxim Наименование
Напряжение питания, В
MAX4208/09
2,85…5,5
MAX4460/61/62
2,85…5,25
MAX4194-97
2,7…7.5
WWW.ELCP.RU
Rail-to-rail
Выход
Входной диапазон синфазных напряжений, В (VSS–0,1)…(VDD–1,3)
Потребляемый ток каждого ОУ 750
Полоса Напряжение Разброс пропускания, смещения VOS, усиления, % мкВ кГц <20 ±0,25 750
(VSS–0,1)…(VDD–1,7)
680
<425
±0,35
2500
(VEE–0.2)…(VCC–1.1)
93
<450
±0,01
250
Темп. диапазон, °С –40…125 –40…85
Корпус 8-μMAX 6-TDFN 6-SOT23 8-SO 8-SO
Рис. 3. Функциональная схема (а), расположение выводов (б) и примеры применения (в, г) инструментальных усилителей MAX4208/09 Преобразователи данных (АЦП, ЦАП)
Компания Maxim выпускает обширный ассортимент преобразователей данных, который насчитывает свыше 400 АЦП и около 250 ЦАП. По данным исследовательской компании Databeans (www.databeans.net) в 2008 г. компания Maxim заняла третье место по объемам продаж микросхем преобразователей данных, вслед за Analog Devices и Texas Instruments. Подавляющую часть ассортимента АЦП составляют прецизионные приборы на частоту дискретизации менее 5 МГц, большинство из которых полностью соответствует условиям применения в промышленной электронике. Для построения прецизионных АЦП компания Maxim использует архитектуру последовательных приближений (8, 10, 12, 14, 16 бит) и сигма-дельта (до 24 бит). Кроме выбора по раз-
решающей способности и быстродействию преобразования пользователь может делать выбор АЦП по ряду других важных признаков, таких как: – симметричный/дифференциальный входной каскад, поддержка одно-, двуполярного питания, возможность программной конфигурации входного диапазона; – количество каналов: 1, 2, 4, 8, 12 или 16; – интерфейсы считывания данных: последовательные (I2C, SPI, QSPI, MICROWIRE-совместимые) или параллельные; – со встроенным или внешним источником опорного напряжения (ИОН) и т.д. Многие промышленные применения не требуют высокого быстродействия дискретизации. В этом случае более важную роль играют высокая точность, долговременная стабильность,
электронные компоненты №11 2009
59
а)
б)
Рис. 4. Функциональная схема (а) и расположение выводов АЦП MAX11040 (б)
60
помехозащищенность и надежность. Таким требованиям отвечают сигма-дельта АЦП. Характеристики некоторых таких преобразователей Maxim представлены в таблице 4. Среди них примечательна новинка этого года — MAX11040, который помимо того, что имеет внушительные характеристики прецизионности, поддерживает одновременные преобразования в 4 каналах при использовании одной микросхемы и в 32 каналах — при каскадировании 8 микросхем. Функция одновременного преобразования очень важна для таких промышленных применений как электронные блоки защит и мониторинга электротехнического и энергетического оборудования, системы сбора данных, многофазные системы электропитания, контрольно-измерительное оборудование и т.д. Возможности одновременного преобразования достигаются у MAX11040 за счет интеграции четырех независимых каналов сигма-дельта АЦП (см. рис. 4а). Кроме того, данный АЦП, как собственно и вся новая продукция Maxim, отвечает всем современным тенденциям микроэлектроники, в т.ч. поддерживает низковольтное питание (3,3±0,3 В), поддерживает экономичный режим работы для снижения потребляемого тока до уровня не более 5 мкА и размещен в миниатюрном 38-выводном корпусе TSSOP (см. рис. 4б). Функцию одновременного преобразования поддерживают также некоторые АЦП Maxim, выполненные по архитектуре последовательных приближений, в т.ч. новые 16-разрядные 4/6/8-канальные АЦП MAX11044/45/46. Среди других новинок в группе АЦП можно выделить: – 16-разрядные АЦП MAX1300/01 и MAX1302/03, которые поддерживают частоту дискретизации до 115 кГц, имеют 8/4 несимметричных или 4/2 дифференциальных
входных канала, а также предусматривают программирование входного диапазона в каждом из каналов; – однокристальные системы сбора данных MAX1358/ MAX1359/MAX1360 (16 бит, программируемый усилитель (PGA), встроенный ИОН 1,25/2,048/2,5 В), MAX1330 (12 бит, PGA, ЦАП, порты ввода-вывода (ПВВ), датчик температуры) и MAX1331 (12/16 бит, PGA, ПВВ, датчик температуры). В группе ЦАП бóльшую часть также составляют прецизионные приборы (интегральная нелинейность менее 1 м.з.р.) с разрешающей способностью 6...16 бит и с временем установления выходного сигнала менее 1 мкс. Количество выходных каналов варьируется от 1 до 32, а для ввода данных используются параллельные или последовательные (SPI, I2C) интерфейсы. Типичными областями применения ЦАП в промышленной электронике являются каскады цифровой компенсации и калибровки, системы цифрового регулирования, каскады регулировки смещения и усиления, программируемые усилители, генераторы сигналов произвольной формы, программируемые источники тока и напряжения, программируемые источники питания, каскады аналогового вывода контроллеров автоматизации и т.д. Для решения последней задачи Maxim предлагает специализированную ИС MAX5661, которая в дополнение к 16-разрядному ЦАП интегрирует все компоненты, необходимые для реализации программируемого источника тока (0…20 мА) и напряжения (±10 В) с возможностями подключения к длинной линии связи (см. рис. 5). Вся новая продукция Maxim содержит ряд инструментов для оптимизации себестоимости конечного решения, имея в виду высокую степень интеграции и размещение в ультракомпактных корпусах. Однако в ассортименте
Таблица 4. Сигма-дельта АЦП Maxim Наименование MAX110/11 MAX1415/16 MX7705
Разрешающая Количество Частота способность, бит входных каналов дискретизации, Гц 14 50 2 16 500
MAX1401/03 MAX1400/02 MAX11040
WWW.ELCP.RU
18
5
4800
24
4
64000
ИОН
Внешн.
Внешн./внутр.
Входной диапазон ±3(1,5, ±1,5)
Напряжение ДНЛ, м.з.р., питания, В не более –5 (MAX110), 5 2 3/5 5 0…VREF(±VREF/2) 1 3 ±2,2
5 3,3
0,1
ИНЛ, ±%, не более 0,03/0,05
Наименьш. корпус 20-SSOP
0,03
16-TSSOP
0,0015
28-SSOP
0,003
38-TSSOP
Maxim есть семейства ЦАП, которые предлагают еще одну такую возможность для применений, где предусматривается выпуск различных типоисполнений продукции с разным количеством выходных каналов и их разрешающей способностью. В таких применениях выгодно использовать семейства масштабируемых ЦАП. Примером такого семейства может служить MAX5134-5137. Данные ЦАП различаются разрешающей способностью (12 или 16 бит) и количеством выходных каналов (2 или 4), но при этом использует совместимое расположение и назначение выводов в корпусе одного типа. Таким образом, в рамках одного и того же аппаратного решения путем простой установки требуемого ЦАП можно изменять конфигурацию устройства. Цифровые потенциометры
Ассортимент цифровых потенциометров Maxim насчитывает более 120 прецизионных микросхем, оптимизированных под решение задач программирования параметров аналоговых схем, в т.ч. выходного напряжения ИОН или стабилизаторов напряжения, коэффициента передачи усилительных каскадов, настройки фильтров и т.д. Они являются более надежной и совершенной альтернативой обычным механическим потенциометрам и различаются по ряду признаков: количество ступеней регулировки (32—1024); тип передаточной характеристики (линейная или логарифмическая); одно- или многоканальные (2, 3, 4, 6 каналов); с энергонезависимым хранением настроек и без; с однократным или многократным программированием энергонезависимой памяти. Современные цифровые потенциометры имеют ряд особенностей, которые позволяют повысить гибкость применения, улучшить эксплуатационные характеристики, а также способствуют миниатюризации и удешевлению конечного изделия. Например, 7-разрядный потенциометр
DS3501 имеет способность к энергонезависимому запоминанию положения движка, а кроме того интегрирует датчик температуры, АЦП и программируемую энергонезависимую память в роли таблицы соответствия. Данные элементы существенно облегчают реализацию функции температурной компенсации потенциометра, делая ее выполнение полностью автономным. Важной особенностью этого потенциометра, с точки зрения использования в промышленных применениях, является возможность работы выходного каскада при повышенном уровне напряжения (до 15 В) по отношению к напряжению питания самого потенциометра. Для управления потенциометрами Maxim используются три типа интерфейсов: SPI, I2C и интерфейс по типу реверсивного счетчика (счетный вход и вход задания направления счета). Для повышения гибкости применения у некоторых микросхем предусмотрена возможность выбора интерфейса; например, при использовании потенциометров из семейства MAX5481-MAX5484 можно выбирать между интерфейсом SPI или интерфейсом по типу реверсивного счетчика. Эти потенциометры также примечательны высокой разрешающей способностью (10 бит или 1024 положения движка), энергонезависимым хранением настроек и отличной температурной стабильностью (5 ppm/°C для коэффициента передачи и 30 ppm/°С для полного сопротивления потенциометра). Кроме цифровых потенциометров, компания Maxim выпускает также программируемые резистивные делители напряжения, которые отличаются очень малым допуском на сопротивление (0,025—0,1% против 20% — лучшего для цифровых потенциометров значения). Прецизионные ИОН
Источники опорного напряжения играют очень важную роль в любой измерительной системе. Именно от
электронные компоненты №11 2009
61
Рис. 5. Функциональная схема и укрупненная схема включения ЦАП MAX5661
62
их характеристик напрямую зависят ограничения по точности измерения входных сигналов и формирования выходных. Кроме того, именно от ИОН зависит диапазон измерения и изменения сигналов в аналого-цифровой системе. Компания Maxim — известный новатор в области разработки высококачественных ИОН. К числу важных достижений компании в этой сфере относится разработка уникального для своего времени семейства ИОН типа «бэндгап» MAX676 со встроенным датчиком температуры, ПЗУ температурной компенсации и подключением выхода по схеме Кельвина (результирующий температурный коэффициент 0,6 ppm/°C). Важное значение имеет и разработка ИОН MAX6126, выполненного по принципиально новой архитектуре «супербэндгап» и имеющего уникальные характеристики (начальный разброс ±0,02%, температурный коэффициент 3 ppm/°C и размах напряжения шума 1,5 мкВ). В настоящее время ассортимент ИОН Maxim насчитывает свыше 160 микросхем, разделенных на четыре группы: – параллельные (или шунтовые, двухвыводные) на выходные напряжения 1,25; 2,048; 2,5; 3,0; 3,3; 4,096 и 5,0 В; – последовательные (трехвыводные) на выходные напряжения 1,25; 1,6; 1,8; 2,048; 2,5; 3,0; 3,3; 4,096; 4,5; 5,0 и 10,0 В; – регулируемые (MAX6037, MAX6160); – программируемые (DS4303, DS4305). Среди высокоточных ИОН Maxim, способных обеспечить высокую разрешающую способность аналогоцифрового преобразования, есть сравнительно недорогие приборы. Примером тому может служить бэндгап ИОН MAX6033, который в исполнении с начальным разбросом 0,1% и температурным коэффициентом 20 ppm/°C стоит около 1,5 долл. США. Примечательно, что при столь высокой точности собственное потребление ИОН составляет всего лишь 40 мкА. Благодаря простоте схемы включения, поддержке температурного диапазона –40…125°C, размещению в компактном 6-выводном корпусе SOT и малошумящей работе (уровень шума не более 16 мкВ в диапазоне
WWW.ELCP.RU
частот 0,1…10 Гц), данный ИОН прекрасно подходит для использования в промышленных применениях для работы совместно с АЦП и ЦАП высокой разрешающей способности (до 16 бит, в зависимости от напряжения ИОН, ширины температурного диапазона и степени прецизионности выбранного исполнения ИОН). MAX6033 также доступен в исполнении с начальным разбросом 0,2% и температурным коэффициентом 10 ppm/°C, а также в высокоточном исполнении с разбросом 0,04% и температурным коэффициентом 7 ppm/°С. Доступные выходные напряжения: 2,5; 3,0; 4,096; 5,0 В. Выводы
Компания Maxim выпускает обширный ассортимент компонентов для сигнальных цепей, в т.ч. микросхемы операционных и инструментальных усилителей, АЦП, ЦАП, цифровых потенциометров и источников опорного напряжения. Значительную их часть составляют прецизионные приборы, отвечающие промышленным условиям применения. Некоторые компоненты разработаны под конкретные промышленные применения, как, например, ОУ MAX9944 и ЦАП MAX5661, предназначенные для построения аналоговых интерфейсов устройств промышленной автоматики. В новой продукции Maxim помимо улучшения рабочих характеристик учтены и постоянно растущие требования к уменьшению занимаемого пространства (за счет применения сверхминиатюрных корпусов) и снижению электропотребления. Неизменной чертой продукции Maxim являются простота и гибкость применения микросхем. Более детальную информацию о продукции Maxim для сигнальных цепей можно получить на сайте компании (www.maxim-ic.com) и, в частности, в доступном для скачивания руководстве [1] .
Литература 1. Signal Chain//Selector Guide, 1st Edition, Maxim Integrated Poducts, July 2008 — 24 p.
Новое семейство силовых P-канальных МОП-транзисторов Абдус Саттар (Abdus Sattar), техн. менеджер по применению, IXYS Corp. Кен-Вук СЁк (Kyoung-Wook Seok), менеджер по исследованиям и разработке, IXYS Corp.
.
В статье описано новое семейство P-канальных МОП-транзисторов, рабочие характеристики которых схожи с показателями N-канальных МОП-транзисторов, включая быстрое переключение и работу с обратной полярностью.
Рис. 1. Схематические вид и обозначения p-канального (слева) и n-канального (справа) МОПтранзисторов
(ВУ). Напротив, напряжение питания N-канального устройства, используемого в качестве ключа ВУ, изменяется в диапазоне между низким и высоким уровнями постоянного напряжения на шине. Таким образом, для управления N-канальным устройством необходимо использовать драйвер изолированного затвора или импульсный трансформатор. Драйверу требуется другой источник питания, тогда как трансформатор может иногда работать некорректно. Однако во многих случаях драйвер затвора нижнего уровня (НУ) может управлять P-канальным ключом ВУ с помощью цепи сдвига простого уровня, что упрощает схему и во многих случаях — стоимость всего решения. Главным недостатком P-канального устройства является его относительно высокое значение RDS(ON), по сравнению с N-канальным транзистором. Это значит, что недорогие решения с P-канальными МОП-транзисторами требуют оптимизации устройств за счет снижения R DS(ON). Нам удалось разработать два семейства силовых P-канальных МОПтранзисторов (Polar™ и TrenchP™) с VDS
в диапазоне –600…–50 В и током ID25 в пределах –170…–10 А. Оба семейства обладают лучшими в своем классе характеристиками, выполнены в корпусах промышленного стандарта и корпусах собственной разработки ISOPLUS. На рисунке 1 схематически показаны два типа МОП-транзисторов и их схематические обозначения. Управление затвором
Схема управления P-канальным МОП-транзистором проще и дешевле, чем управление N-канальным МОП-транзистором в качестве ключа ВУ [5]. На рисунке 2 показан пример схемы управления P-канальным ключом ВУ, которая намного проще и дешевле схемы N-канального МОПтранзистора. В стандартную схему управления затвором N-канального МОП-транзистора добавляются Dz, Rz и Ch. На конденсаторе Ch происходит падение постоянного напряжения между управляющими цепями затворов верхнего и нижнего уровней, поэтому она должна быть намного больше входной емкости P-канального МОП-транзистора. Стабилитрон Dz поддерживает напряжение затвор-
63
Рис. 2. Пример более простой и дешевой схемы управления затвором P-канального МОП-транзистора в ШИМ-приложении
электронные компоненты №11 2009
Силовые дискретные компоненты
P-канальные МОП-транзисторы были созданы с использованием последнего поколения технологий Trench и Polar. Эти устройства обладают всеми преимуществами сопоставимых N-канальных силовых транзисторов, к числу которых относятся очень быстрое переключение, управление с помощью уровня напряжения затвора, простота параллельного соединения и высокая температурная стабильность. У P-канальных МОП-транзисторов, предназначенных для работы с отрицательным напряжением, подложка представляет собой полупроводник N-типа с меньшим удельным сопротивлением и с высоким уровнем напряжения пробоя, поскольку паразитный PNP-транзистор меньше подвержен пробою [1]. По сравнению с силовыми МОП-транзисторами N-типа с сопоставимыми параметрами, у P -канальных устройств лучшая область безопасной работы в прямом направлении (FBSOA — forwardbias safe operating area). Кроме того, они практически не подвержены феномену шнурового выгорания [2]. Наиболее важным преимуществом P-канальных МОП-транзисторов является упрощенный метод управления затвором при верхнем положении ключа [3]. Напряжение питания P-канального устройства постоянно, если оно работает как ключ верхнего уровня
Рис. 3. Для управления затворами P- и N-канальных МОП-транзисторов применяется одна ИС
Рис. 4. Мертвое время для единственной ИС управления затвором зависит от напряжения исток-затвор, VGS
исток в диапазоне от отрицательного напряжения стабилизации до 0 В. Произведение Ch на Rz определяет скорость регулирования напряжения постоянного тока на Ch. Если это значение слишком малое, возникает большой ток, который может повредить ИС управления затвором или Dz. При слишком большом значении этого произведения P-канальный МОП-транзистор станет слишком мед-
ленно переключаться из-за длительного времени нарастания амплитуды сигнала на затворе и может повредить транзистор. Rh2 и Rl2 — резисторы для управления скоростью выключения транзистора. (Rh1 + Rh2) и (Rl1 + Rl2) — резисторы по управлению скоростью включения транзистора. Часто бывает лучше, если скорость включения меньше скорости выключения [4].
Силовые дискретные компоненты
64
Рис. 5. Низкочастотный N-канальный МОП-транзистор, управляемый генератором подкачки заряда, который обеспечивает более высокое напряжение на затворе, чем напряжение DC-звена
www.elcp.ru
Во многих случаях как P-, так и N-канальные МОП-транзис торы управляются единственной ИС, как видно из рисунка 3. Это наиболее дешевый и простой полумостовой метод управления затвором. Чтобы избежать поперечной проводимости, с помощью разности между скоростью включения и выключения задается мертвое время. Если оно слишком короткое, возникает возможность образования большого количества тепла и риск сбоя в работе транзистора. Если оно слишком продолжительное, снижается выходное напряжение мостовой цепи. На рисунке 4 показана кривая мертвого времени в случае использования одной ИС управления затвором. В такой схеме в начале периода включения каждого транзистора напряжения исток-затвор недостаточно для полного включения устройства, что влечет за собой дополнительные потери мощности. Таким образом, эта схема не пригодна для приложений с жестким переключением, тогда как для некоторых применений с отключением при нуле напряжения (ZVS — zero-voltage switching), в которых МОП-транзисторы включаются в то время, пока противоположный МОП-транзистор работает в режиме диода, эта цепь может оказаться экономически эффективной [4]. Почти все нагрузки, обычно используемые в приложениях автомобильной электроники, включены между ключами и заземлением. Все ключи в этих приложениях находятся на положительной клемме. Для управления N-канальным ключом на очень низкой частоте нельзя использовать импульсный трансформатор. На рисунке 5 показана схема, позволяющая создать более высокое напряжение на затворе, чем напряжение питания. В тот момент, когда выходной сигнал генератора прямоугольной волны проходит ноль, диод Dc заряжает Cp. Когда выходной сигнал этого генератора находится в положительной области напряжения питания, Cp разряжается через диод Dd. Заряд передается на Cd и далее поступает в цепь управления затвором верхнего ключа. Как видно из рисунка 6, P-канальный МОП-транзистор значительно упрощает схему рисунка 5 в целом. Вообще говоря, более простая схема отличается большей надежностью. Несмотря на то, что P-канальный ключ имеет большее, чем N-канальный ключ, сопротивление RDS(ON), во многих случаях эта простая схема позволяет добиться экономически более эффективного решения с более дорогим P-канальным МОП-транзистором.
Невозможно создать силовой P-ка нальный МОП-транзистор с теми же электрическими параметрами, что и у N-канальных устройств. В силу того, что мобильность носителей в силовых N-канальных транзисторах в 2,5—3 раза выше при одинаковом значении RDS(ON), размер P-канальных устройств должен быть в 2,5—3 раза больше размера N-канальных транзисторов. Из-за большей площади у P-канального устройства меньше термосопротивление и выше номинальный ток. Его динамические характеристики (емкость, заряд затвора и т.д.), соответственно, другие, и пропорциональны площади кристалла. В низкочастотных коммутационных приложениях, в которых преобладают потери на проводимость, у P- и N-канального МОП-транзисторов должен быть одинаковый номинальный ток. Следовательно, можно полагать, что их температуры p-nперехода одинаковы при той же температуре корпуса и токе. В этом случае площадь кристалла P-канального устройства в 1,5—1,8 раза превышает тот же показателя N-канального транзистора. В высокочастотных коммутационных приложениях, в кото-
рых преобладают потери на перек лючение, суммарные заряды затворов P- и N-канального МОПтранзисторов должны быть одинаковыми. Следовательно, если два МОПтранзистора имеют одинаковый заряд затвора и управляются одинаково, у них одинаковые потери на переключение. В этом случае P-канальный МОП-транзистор при той же площади кристалла, что и у N-канального устройства, имеет меньший номинальный ток. При работе в линейном режиме требуется сравнивать P- и N-канальные устройства, имеющие одинаковые параметры FBSOA в реальном рабочем диапазоне. На практике подходящий P-канальный МОП-транзистор тщательно выбирается исходя либо из одинаковых значений номинального тока, либо из того же заряда затвора. Приложения, в которых требуется, чтобы RDS(ON) были одинаковыми, встречаются очень редко.
входным каскадом и током смещения выходного каскада. Эта схема позволяет улучшить рабочие характеристики эквивалентного биполярного выходного каскада и упростить цепь управления. Входной каскад имеет дифференциальный компаратор PNP, на который поступает входной сигнал через R1 и C1 и отрицательную обратную связь с выходным каскадом через базу Q2 и резистор R6. Компаратор
65
Примеры применения
Аудиоусилители — возможно, наиболее важное приложение P-канальных МОП-транзисторов. На рисунке 7 показана цепь аудиоусилителя класса АВ с комплементарным выходным каскадом силового МОПтранзистора, дифференциальным
Рис. 6. Схема управления низкочастотным P-канальным МОП-транзистором упрощает схему рисунка 5
электронные компоненты №11 2009
Силовые дискретные компоненты
Сравнение P- и N-канальных МОП-транзисторов
Рис. 7. Аудиоусилитель класса АВ с комплементарным выходным каскадом силового МОП-транзистора [6]
Рис. 8. Линейный стабилизатор напряжения, в котором падение напряжения на P-канальном МОП-транзисторе можно понизить почти до ноля, обеспечив широкий диапазон входного напряжения
Силовые дискретные компоненты
66 Рис. 9. Схема защиты и зарядки батарей для Li-ionаккумулятора с использованием P-канальных МОП-транзисторов
управляет транзистором Q4, который, в свою очередь, управляет выходным каскадом. Компоненты R6 и R5 определяют коэффициент усиления контура обратной связи как β = R5/(R5 + R6). Резистор R2, типичное значение которого равно 2 мА, задает ток смещения на входном каскаде. R4 и C3 образуют фильтр, обеспечи-
www.elcp.ru
вающий дополнительное подавление пульсаций источника питания. Умножитель напряжения V BE, состоящий из элементов R7, R8, R9, C5 и Q3, обеспечивает напряжение смещения V B между затворами транзисторов Q5 и Q6. Конденсатор С5 удерживает это напряжение. Если у транзистора Q3 напряжение V BE ~0,6 В, R9 ~10 кОм, а R7 ~ 100 кОм, то величина смещения составит V B ∙ V BE ~ 10 ∙ 0,6 В = 6 В. С помощью этого напряжения транзисторы Q5 и Q6 слегка приоткрыты, благодаря чему ток покоя протекает через выходной каскад. Ток покоя снижает искажения при переходе через ноль, связанные с выходным каскадом. Емкости небольшой величины C2 и C4 делают всю схему устойчивой [6]. Выходной каскад состоит из силовых P- и N-канальных МОПтранзисторов (Q5 и Q6), последовательно соединенных между высоковольтным (V DD) и низковольтным (–V DD) выводами. Q5 и Q6 подключены к выводу OUTPUT, с которого выходной сигнал поступает на нагрузку LOAD (динамик). Коэффициент усиления выходного каскада, следующего за питающей цепью, около 1, т.е. представляет собой почти идеальный источник напряжения, которое практически не зависит от выходного тока [6]. Оба МОП-транзистора в усилителе класса АВ требуют расширенной области FBSOA, т.к. работают в линейном режиме, в котором рассеяние мощности очень велико. Линейные стабилизаторы напряжения широко используются для питания электронных устройств и имеют множество конфигураций для различных приложений. Пример одного из них показан на рисунке 8. Резистивный
делитель (R3 и R4) отслеживает выходное напряжение и обеспечивает обратную связь по напряжению (VFB) на положительном выводе операционного усилителя (U1). На отрицательный вывод ОУ поступает опорное напряжение (VRef ) с диода Зенера (ZD1). ОУ обеспечивает управляющее напряжение на регулировочном P-канальном МОП-транзисторе (Q1). Благодаря тому, что падение напряжения на Q1 можно понизить практически до ноля, эта цепь имеет широкий диапазон входного напряжения. Рассеяние мощности на устройстве Q1, входящем в состав линейного стабилизатора напряжения, большое, т.к. зависит от разности между входным и выходным напряжениями и выходным током. Силовой P-канальный МОП-транзистор работает в линейном режиме, требуя расширенной области FBSOA, которую обеспечивают оба семейства силовых P-канальных МОПтранзисторов компании IXYS. На рисунке 9 показана система зарядки и разрядки батарей Li-ion (Li+). Один МОП-транзистор участвует в зарядке аккумулятора, тогда как другой — в разрядке. Если оба транзистора выключены, батарея изолируется от внешней цепи с целью защиты. В начале цикла зарядка происходит в режиме постоянного тока, и МОП-транзистор работает в линейной области. После того как батарея достигнет установленного уровня напряжения, обратная связь начнет уменьшать ток зарядки, с тем чтобы поддержать требуемый уровень напряжения и обеспечить постоянный рабочий режим.
ЛИТЕРАТУРА 1. Erickson, R. W. and Maksimovis, D. Fun damentals of Power Electronics, University of Colorado, Second Edition. 2. Dodge, J. Reduced Circuit Zapping from Cosmic Radiation, Micro Semi, September 2007// powerelectronics.com/power_semiconductors/ power_mosfets/circuit-zapping-cosmic-radia tion-0907. 3. How P-Channel MOSFETs Can Sim plif y Your Circuit, AN-940, Internation al Rectifier, www.eetasia.com/ARTICLES/ 2000MAY/2000MAY04_ICD_WLP_ AN.PDF? SOURCES=DOWNLOAD. 4. Mohan, N., Robbins, W. and Undeland, T.M. Power Electronics — Converters, Appli cations and Design, John Wiley & Sons, 2nd Edition. 5. P-Channel MOSFETs, the Best Choice for High-Side Switching, AN804, Vishay Siliconix, March 10, 1997, www.datasheetcatalog.org/ datasheet/vishay/70611.pdf. 6. Linear Power Amplifier Using Complemen tary HEXFETs, AN-948, International Rectifier// home.eunet.cz/rysanek/pdf/irf-fet-amp.pdf.
Современные высоковольтные драйверы MOSFET- и IGBTтранзисторов International Rectifier Андрей Никитин Для дальнейшего совершенствования своей продукции и с тем, чтобы обеспечить долговременные лидирующие позиции в производстве высоковольтных интегральных схем, компания International Rectifier (IR) развивает новую технологию G5 HVIC (Generation 5 High Voltage Integrated Circuit). По сравнению с традиционной HVIC-технологией, новая технология позволяет улучшить технические характеристики устройств, увеличить их функциональность, обеспечивая при этом привлекательную стоимость. G5 HVIC-технология нашла применение в нескольких товарных линейках компании IR: микросхемах для управления освещением, микросхемах для аудиоприложений и в основном — в интегральных схемах высоковольтных драйверов MOSFET- и IGBT-транзисторов. Именно эти компоненты рассматриваются в статье. Продукты, изготовленные с применением G5 HVICтехнологии, можно разделить на две категории: – обновленные версии приборов, предназначенные для замены драйверов ранних поколений; – новые изделия, не имеющие прототипов в ранних поколениях. Обновленные версии драйверов должны обеспечивать: – полную совместимость по выводам с изделиямипрототипами; – улучшенные характеристики; – повышенную надежность; – меньшую стоимость. Новые изделия должны обеспечивать: – расширенные функциональные возможности; – характеристики на уровне лучших образцов в отрасли; – высокую надежность; – низкую стоимость. Рисунок 1 позволяет сравнить HVIC-драйверы ранних поколений и драйверы поколения G5 HVIC [1]. График А иллюстрирует изменение цены изделий с течением времени. Точка 1 соответствует выводу на рынок высоковольтных драйверов первых поколений. В дальнейшем стоимость изделий снижается за счет отработки технологических процессов производства и увеличения объемов выпуска (точка 2). Точка 3 — технологические процессы полностью отработаны, объем выпускаемой продукции стабилизировался. Резервы снижения цены практически исчерпаны. Точка 4 — вывод на рынок первых HVICмикросхем поколения G5. На временном интервале 5 происходит постепенный вывод на рынок изделий поколения G5, замещающих HVIC-драйверы ранних поколений. С точки 6 начинает расти стоимость изделий ранних поколений за счет снижения объемов выпуска (поскольку часть этого объема замещается изделиями поколения G5). С течением времени за счет увеличения объемов выпуска и отработки технологических процессов снижается цена на изделия поколения G5 (точка 7), что в конечном итоге приводит к снятию с производства HVICмикросхем ранних поколений (точка 8). График Б характеризует изменение функциональных возможностей изделий с течением времени. Начиная с некоторого момента (точка 1), дальнейшее увеличение функциональности изделий ранних поколений становится затруднительным без повышения цены. Преимущества технологии G5 обеспечивают расширение функциональных
возможностей этих изделий начиная с момента выведения их на рынок (точка 2). С этого момента работы по увеличению функциональности изделий ранних поколений становятся нецелесообразными (точка 3). В процессе постепенной замены ранних изделий на аналоги поколения G5 появляется возможность сфокусироваться на разработке новых приборов с расширенными функциями, которые в наибольшей степени используют преимущества новой технологии (точка 4). Высоковольтные микросхемы ранних поколений имели префикс IR в наименовании микросхем, например, IR2181. Изделия поколения G5 имеют префикс IRS и старый цифровой номер для микросхем-заменителей (например, IRS2181) или уникальный номер для новых микросхем (например, IRS2186). Как уже отмечалось, в статье рассматриваются только высоковольтные драйверы, управляющие затворами MOSFET- и IGBT-транзисторов. Среди этих устройств можно выделить несколько типов, а именно: – независимые драйверы верхнего и драйверы нижнего плеча полумоста, интегрированные в одной микросхеме (High and Low Side Driver);
67
Рис. 1. Сравнение HVIC-микросхем поколения G5 и микросхем ранних поколений
электронные компоненты №11 2009
Рис. 2. Структурная схема и схема включения драйвера верхнего и нижнего плеча
– драйверы верхнего и драйверы нижнего плеча, включенные в схему полумоста (Half-Bridge Drivers); – драйверы верхнего плеча (High Side Drivers); – драйверы нижнего плеча (Low Side Drivers). Драйверы верхнего и нижнего плеча
Данный тип HVIC-микросхем является наиболее универсальным. Типовая структурная схема такого драйвера и схема включения (на примере IRS2181) представлены на рисунке 2. Очевидно, что микросхема содержит два независимых драйвера — верхнего и нижнего плеча. В зависимости от схемы включения, она может использоваться как в качестве независимого драйвера верхнего плеча (включение нагрузки между стоком верхнего транзистора и землей), нижнего плеча (включение нагрузки между истоком нижнего транзистора и шиной высоковольтного питания), так и в качестве полумоста (соединение стока верхнего и истока нижнего транзисторов). К схеме управления затвором MOSFET- и IGBT-транзис торов предъявляются следующие основные требования [2]: – напряжение на затворе при отпирании должно быть на 10…15 В выше напряжения стока MOSFET- или коллектора IGBT-транзистора. Таким образом, для транзистора
верхнего плеча напряжение управления должно быть на 10…15 В выше напряжения питания; – драйвер должен управляться логическим сигналом, связанным с «логической» землей. Следовательно, драйвер верхнего плеча должен иметь высоковольтный каскад сдвига уровня; – при падении напряжения управления ниже определенного предела выходные транзисторы могут перейти в линейный режим работы, что, в свою очередь, приведет к перегреву кристалла. Для предотвращения этого должны использоваться схемы контроля напряжения (UVLO — Under Voltage LockOut) как для верхнего, так и для нижнего плеча; – мощность, рассеиваемая схемой управления, должна быть пренебрежимо мала, по сравнению с общей мощностью рассеивания; – схема управления должна обеспечивать токи перезаряда цепи затвора, гарантирующие высокие динамические характеристики транзистора. Существуют различные схемные решения, применя емые для построения каскада верхнего плеча [3]. В драй верах, выпускаемых компанией IR, как правило, применяется относительно простая и недорогая бутстрепная схема управления (схема с «плавающим» источником питания [2]). В такой схеме длительность управляющего импульса ограничена величиной бутстрепной емкости. Кроме того, необходимо обеспечить условия для ее посто янного заряда с помощью высоковольтного быстродействующего каскада сдвига уровня. Этот каскад обеспечивает преобразование логических сигналов к уровням, необходимым для устойчивой работы схемы управления транзистора верхнего плеча. Отметим также, что наименования ряда новых микросхем поколения G5 заканчиваются суффиксом D. Это указывает на наличие встроенного бутстрепного диода. Благодаря этому отпадает необходимость в применении внешнего диода — достаточно громоздкого по сравнению с самой микросхемой драйвера [4]. В таблице 1 приведены параметры драйверов верхнего и нижнего плеча поколения G5. VOFFSET — максимально возможное напряжение между истоком верхнего транзистора и общим проводом COM. В большинстве случаев — 600 В. Отметим, что компания IR выпускает драйвер IR2213 на 1200 В, однако его аналог в поколении G5 пока отсутствует. Флажки в колонках «Замена» и «Новый» указывают, является ли то или иное изделие заменой для соответ ствующих драйверов ранних поколений либо это принци-
Таблица 1. Параметры драйверов верхнего и нижнего плеча поколения G5
68
Изделие IRS2001 IRS2011 IRS2101 IRS2106 IRS210614 IRS21064 IRS2110 IRS2112 IRS2113 IRS2181 IRS21814 IRS21856 IRS2186 IRS21864 IRS26072D IRS2607D
Замена
WWW.ELCP.RU
Новый V
VOFFSET, В
IO+, мА 290 1000
IO–, мА 600 1000
600
290
600
500
2500 290 2500
200
2500 600 2500
TON, нс 160 60 160 220 165 220 130 135 130
TOFF, нс 150 60 150 200 165 200 120 130 120
1900
2300
180
220
500
500
160
160
4000
4000
170
170
350
200 515
200 500
V V
V
600 V
200
Общий провод Управление COM HIN/LIN
VSS/COM HIN/LIN/SD COM VSS/COM COM VSS/COM COM
HIN/LIN
пиально новое изделие. IO+ (IO–) — максимальный выходной ток при открытом верхнем (нижнем) транзисторе выходного каскада микросхемы. TON (TOFF) — задержка распространения сигнала от входов HIN и LIN до выходов HO и LO при включении (выключении). Общий провод — COM или VSS/COM. В первом случае общий провод входного (низковольтного) и выходного (высоковольтного) каскадов един — COM. Во втором случае используются разные шины — VSS для входного каскада и COM — для выходного. Управление. Как правило, микросхемы данного типа управляются по входам HIN и LIN. Причем, высокий уровень логического сигнала включает, соответственно, верхнее или нижнее плечо драйвера. В микросхеме IRS2112 помимо этого используется дополнительный вход SD, отключающий оба плеча, независимо от состояния на входах HIN и LIN. Как видим, компания IR предлагает широкую номенклатуру изделий этого типа, рассчитанных на различные выходные токи, имеющих достаточно высокое быстродействие и ориентированных на различные схемы подключения. Среди новых микросхем отметим IRS2186 и IRS21864, максимальный выходной ток которых достигает 4 А, а также IRS2607D и IRS26072D, предназначенные для коммутации сигналов синусоидальной формы. Драйверы полумостовой схемы
На рисунке 3 представлены структурная схема драйвера полумоста и схема его включения (на примере IRS2183). Очевидно, что выходные каскады верхнего и нижнего плеча данной схемы аналогичны соответствующим каскадам схемы, приведенной на рисунке 2. Различия состоят только в наличии дополнительной логической схемы входного каскада. Возможны четыре устойчивых состояния: – оба плеча (верхнее и нижнее) выключены; – верхнее плечо включено, нижнее выключено; – верхнее плечо выключено, нижнее включено; – оба плеча (верхнее и нижнее) включены. Первые три состояния являются нормальными как для драйверов верхнего и нижнего плеча, так и для драйвера полумоста. Четвертое состояние является допустимым для драйвера верхнего и нижнего плеча, если он не включен как полумост (т.е. сток верхнего и исток нижнего транзисторов не соединены между собой). В противном случае оба внешних транзистора будут открыты, и через них будет протекать сквозной ток. По сути, произойдет
Рис. 3. Структурная схема и схема включения драйвера полумостовой схемы
замыкание высоковольтного напряжения на землю через малое сопротивление открытых транзисторов, что приведет к выходу их из строя. Дополнительная логическая схема во входном каскаде драйвера полумоста предназначена для того, чтобы не допустить одновременного включения верхнего и нижнего плеча при любой комбинации входных сигналов и формирования паузы при изменении состояния схемы, в течение которой оба плеча будут выключены. На рисунке 4 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип работы драйвера полумоста при переключении. Первые три состояния входных сигналов являются допустимыми — включено только нижнее плечо, затем только верхнее и опять только нижнее. Следующая комбинация входных сигналов требует включить оба плеча. Такое состояние считается запрещенным, и логическая схема блокирует его, отключая оба плеча. Далее идут допустимые состояния — включено только нижнее плечо, оба плеча выключены и включено только верхнее плечо. Затем вновь повторяется запрещенное состояние, и схема его блокирует. Следующие состояния допустимы и отрабатываются без каких-либо изменений. Отметим, что при смене активных состояний логическая схема принудительно вводит паузы, исключающие включение верхнего и нижнего плеча одновременно.
69
Рис. 4. Принцип работы драйвера полумостовой схемы при переключении
электронные компоненты №11 2009
Рис. 5. Применение двух микросхем IRS2183 в схеме полного моста
Рис. 6. Структурная схема и схема включения драйвера верхнего плеча
Так, в первом случае сначала выключается нижнее плечо, какое-то время оба плеча выключены, и только потом включается верхнее. Во втором случае сначала выключается верхнее плечо, какое-то время оба плеча выключены, и затем включается нижнее. Интервал времени, в течение которого оба плеча выключены — время паузы TDT (dead time) является существенным параметром драйвера полумостовой схемы. В таблице 2 приведены параметры драйверов полумостовой схемы поколения G5. Возможных модификаций
200
680
270
150 220 250 750
150 200
290 V
WWW.ELCP.RU
200
600 350
250
530
HIN/-LIN
Изделие
IN/-SD HIN/LIN HIN/-LIN IN/-SD
IRS2117 IRS21171 IRS2118 IRS21850 IRS21853
V
125 160 600 125 4000 4000 160 2000 2000 170 290
V
600
Общий
180 1900 2300
650 400 Prog. 400 Prog. 100 540
TOFF, нс
150
600
Таблица 3. Параметры драйверов верхнего плеча поколения G5 TON, нс
Prog.
На рисунке 6 представлены структурная схема драйвера верхнего плеча и схема его включения (на примере
IN/-SD IN/SD IN/-SD IN
IO–, мА
750 V
HIN/-LIN
Раздельные драйверы верхнего плеча и драйверы нижнего плеча
IO+, мА
540 Prog. 200 540
VOFFSET, B
220
520
HIN/-LIN IN/-SD HIN/-LIN IN/-SD
Новый
600
Управление
Замена
290
150
TDT, нс
680
TOFF, нс
TON, нс
200
IO–, мА
V
IO+, мА
VOFFSET, В
70
IRS2003 IRS2004 IRS2103 IRS2104 IRS2108 IRS21084 IRS2109 IRS21091 IRS21094 IRS2111 IRS2183 IRS21834 IRS2184 IRS21844 IRS2304 IRS2308 IRS2608D IRS2609D
Новый
Изделие
Замена
Таблица 2. Параметры драйверов полумостовой схемы поколения G5
в данном случае существенно больше. Во-первых, одни микросхемы имеют фиксированное значение времени паузы TDT, а для других оно может программироваться пользователем (Prog.). В первом случае этот временной интервал определяется номиналом внутреннего резистора RDT. Во втором — внутренний резистор выводится на внешний вывод микросхемы и задает минимально допустимое время. Если последовательно ему подключить внешний резистор, то время паузы будет увеличено. Во-вторых, как следует из таблицы, существуют пять вариантов управляющих сигналов: – вариант «HIN прямой и LIN инверсный» (HIN/–LIN) был приведен на рисунке 4 и рассмотрен выше; – вариант «HIN прямой и LIN прямой» (HIN/LIN) повторяет предыдущий с той лишь разницей, что нижнее плечо включается высоким уровнем сигнала LIN. Соответственно, запрещенным состоянием являются два высоких уровня; – вариант «вход IN, выключение SD» (IN/–SD). При низком уровне на входе SD оба плеча выключены. При высоком — включено верхнее (если IN высокий) или нижнее (если IN низкий). Для микросхем, использующих подобное управление, запрещенных состояний нет; – вариант IN/SD отличается от предыдущего полярностью сигнала SD — плечи выключены при высоком уровне сигнала; – и, наконец, микросхема IRS2111 имеет только один вход IN. В ней не предусмотрено состояние, при котором выключены оба плеча — либо верхнее, либо нижнее всегда будет включено. Безусловно, во всех модификациях используется механизм страховочных пауз. При использовании полумостовой схемы нагрузка подключается либо к земле (управление осуществляется транзистором верхнего плеча), либо к шине питания (управление нижним плечом). Как следует из названия, полумостовая схема является половиной схемы полного моста. Пример использования двух микросхем IRS2183 для реверсивного управления двигателем постоянного тока приведен на рисунке 5. Очевидно, что для пуска двигателя необходимо вклю чить нижнее плечо одной микросхемы и верхнее — дру гой. Изменение полярности приведет к изменению направления вращения вала двигателя. Отметим также, что возможны два варианта останова двигателя. Первый — так называемое динамическое торможение. Включаются либо два нижних плеча, либо два верхних. В этих случаях обе обмотки двигателя подключаются либо на землю, либо на питание. Во втором случае все четыре плеча выключаются. Обмотки двигателя, по сути, висят в воздухе. Первый способ во многих случаях предпочтительнее, поскольку останов двигателя происходит достаточно быстро. Во втором случае вал двигателя может продолжать вращаться по инерции еще длительное время.
105 160 COM 105 160 170 Vss/COM
Управление
IN –IN IN
Таблица 4. Параметры драйверов нижнего плеча поколения G5 Изделие IRS4426 IRS4427 IRS4428
Замена V
Новый
VOUT, B
IO+, мA
IO–, мА
TON, нс
TOFF, нс
6…20
2300
3000
50
50
IRS2117). Опять же, структура драйвера верхнего плеча не имеет каких-то отличий от рассмотренных ранее схем. В таблице 3 приведены параметры драйверов верхнего плеча поколения G5. В таблице 4 приведены параметры драйверов нижнего плеча поколения G5. Небольшое количество модификаций микросхем этих типов имеет разумные объяснения. Управление нагрузкой через транзистор верхнего (или нижнего) плеча без каких-либо затруднений реализуется на драйвере полумоста либо на драйверах независимых верхнего и нижнего плеча, которые были рассмотрены выше. Следовательно, потребителю для решения этой задачи доступна вся номенклатура микросхем этих типов. Необходимость применения драйверов именно верхнего (нижнего) плеча может возникнуть только в достаточно специфичных случаях. Заключение
В статье рассмотрены интегральные схемы высоковольтных драйверов MOSFET- и IGBT-транзисторов поколения G5 HVIC, выпускаемые компанией International Rectifier. К несомненным достоинствам данного поколения можно отнести: – совместимость микросхем нового поколения по корпусам и выводам с драйверами ранних поколений при улучшении ряда технических характеристик и меньшей стоимости;
Управление –INA/–INB INA/INB –INA/INB
– предложение новых драйверов, не имеющих аналогов в ранних поколениях, с расширенной функциональ ностью; – предложение драйверов со встроенным бутстрепным диодом, что отсутствовало в ранних поколениях приборов; – широкая номенклатура драйверов полумостовых схем и драйверов верхнего и нижнего плеча, отвечающая требованиям практически любых приложений, в которых используются мощные MOSFEТ- и IGBT-транзисторы. Литература 1. G5 HVIC New Rpoduct Offering: IRS218 (3, 34)//Документ компании International Rectifier irs218(3,34)npo.pdf. 2. HV Floating MOS-Gate Driver ICs//Документ компании International Rectifier an-978.pdf. 3. Колпаков А. Характеристики и особенности применения драйверов MOSFET и IGBT//Компоненты и технологии, №3, 2003. 4. Звонарев Е. G5 HVIC — новое поколение высоковольтных силовых управляющих ИС//Новости электроники, №7, 2007. 5. IRS2181, IRS21814 High and Low Side Driver//документ компании International Rectifier irs2181.pdf. 6. IRS2183, IRS21834 Half-Bridge Driver//документ компании International Rectifier irs2183.pdf. 7. IRS2117, IRS21171, IRS2118 Single Channel Driver//документ компании International Rectifier irs2117.pdf.
электронные компоненты №11 2009
71
Оценка производительности многоядерных процессоров. Часть 2
Макс Домейка (Max Domeika), специалист по программному обеспечению, Intel
Во второй части статьи (см. Часть 1 в ЭК10) представлены методы оценки и прогнозирования производительности разрабатываемого приложения на базе результатов проведенных тестов. Рассмотрены примеры измерения характеристик многоядерного процессора при работе в условиях конкретного приложения и методы анализа полученных результатов. Статья представляет собой сокращенный перевод [1]. Оценка и прогнозирование поведения системы и приложения
Микроконтроллеры и DSP
72
При анализе результатов тестирования перед разработчиком системы обычно встает вопрос: «Насколько верно результаты теста предсказывают производительность приложения, если использовать новый процессор или новый компилятор»? Другими словами, если новый процессор или компилятор увеличивают производительность теста X на Y%, то насколько этот процессор или компилятор улучшат разрабатываемое приложение? Понятно, что ответ на этот вопрос зависит от ряда условий, ведь приложение не повторяет в точности тестовую программу. Кроме того, следует скептически отнестись к тому утверждению, что новый процессор или компилятор так же повысят производительность системы, что была достигнута в тестовых данных. Обычно говорят, что следует ожидать некоторого улучшения производительности, и есть несколько статистических методов, которые помогут увеличить степень доверия к данным тестирования при оценке производительности разрабатываемого приложения. Для определения степени возможного улучшения производительности приложения на основе данных тестирования применяются три следующих подхода: – предположение, что повышение производительности скоррелировано с улучшениями, полученными при тестировании; – расчет коэффициента корреляции между приложением разработчика и некоторыми тестами, а затем использование данных о производительности системы из теста с наивысшей степенью корреляции; – многомерный регрессионный анализ с использованием данных, полу-
www.elcp.ru
ченных при ранее проведенном тестировании. Первые два метода довольно легко реализовать. Третий метод использует многомерную регрессию для оценки производительности приложения с использованием в качестве исходных следующих видов данных: – данные тестирования ряда ранее выпускавшихся процессоров и нового процессора; – данные о производительности приложения, работающего на процессорах, для которых уже имеются тестовые данные. Рассмотрим данные о производительности приложения, представленные в таблице 1. В колонках таблицы приведены данные о производительности в виде баллов для каждого теста из пакета SPEC CINT2000 для ряда процессоров, включая Intel Pentium 4, Intel Core Duo и Intel Core 2 Quad. Колонка «Приложение разработчика» содержит гипотетические данные, которые характеризуют производительность приложения, полученную на каждом из перечисленных в таблице процессоров (это реальные данные, взятые из теста CINT2000/300 Base benchmark). Колонка «Коэффициент корреляции» содержит отношение производительности, измеренной в каждом отдельном тесте, к данным из колонки «Приложение разработчика». Данные колонки «Оценка ММР» получены при многомерном регрессионном анализе, в котором данные для каждого теста CINT2000 являются независимыми переменными, а данные из колонки «Приложение разработчика» — зависимыми переменными. Наконец, колонка «Базовый уровень» показывает общий балл тестов CINT2000. Если разработчик рассматривает возможность переноса приложения с процессора Dual-Core Intel Xeon
5160 с частотой 3 ГГц на процессор Intel Core 2 Extreme X6800 с частотой 2,93 ГГц, то в таблице 2 приведена оценка разницы в производительности системы на базе этих процессоров на основе данных из таблицы 1. В данном случае предполагается, что проверка приложения на базе процессора Intel Core 2 Extreme X6800 еще не была проведена, поэтому в колонке «Реальное значение» баллы для этого процессора отсутствуют (обозначено «????»). Процентная разница для колонки «Базовый уровень» предполагает, что приложение разработчика выигрывает 6,11% от перехода на новый процессор. Если использовать данные теста с наивысшей корреляцией (метод 2) с разрабатываемым приложением (тест 175 Base с корреляцией 0,994), то улучшение производительности составит 2,22%. Если применить многомерную регрессию к представленному набору данных, производительность уменьшается на 1,68%. Реальная производительность уменьшается на 0,99%, и это говорит о том, что в данном примере многомерная регрессия показывает наиболее близкий результат. Конечно, нет гарантии, что использование коэффициента корреляции или многомерной регрессии приведет к лучшему прогнозированию производительности приложения для всех случаев. Однако сравнение трех вариантов оценки производительности обеспечивает большую степень достоверности. Таким образом, вооружившись результатами проведенных тестов CPU2000 и данными тестирования разрабатываемого приложения на некоторых процессорах, можно сформировать еще две оценки ожидаемого улучшения производительности при переходе на новый процессор без запуска приложения на этом процессоре. Оценка на основе коэффициента корреляции между результатами отдельных тестов
Таблица 1. Оценка производительности приложения с помощью тестов SPEC CINT2000 Тактовая 164 175 176 181 186 197 252 253 254 255 256 Приложение Оценка Базовый частота, МГц Base Base Base Base Base Base Base Base Base Base Base разработчика ММР уровень Intel Pentium 4 1300 488 277 544 463 430 425 573 613 631 656 380 377 366 474 Intel Pentium 4 1800 653 346 732 525 673 564 775 795 834 920 504 446 470 624 Intel Pentium 4 2000 718 334 692 511 644 580 880 905 884 845 503 464 453 636 Dual-Core Intel Xeon 2800 933 935 1654 1717 1041 1156 1769 1674 1519 2419 1050 1420 1397 1381 Dual-Core Intel Xeon LV 1,67 ГГц 1667 959 1128 1606 1680 1281 1182 1697 1558 1412 2219 1052 1712 1727 1417 Intel Pentium 4 631 3000 998 997 1683 1747 1099 1147 1982 1753 1658 2583 1104 1493 1477 1456 Intel Pentium D 930 3000 1005 1009 1715 1785 1119 1172 2002 1795 1676 2638 1113 1500 1510 1477 Dual-Core Intel Xeon LV 2,0 ГГц 2000 1147 1298 1892 1817 1537 1387 2036 1853 1660 2589 1228 2055 2032 1663 Intel Pentium 4 3800 1262 1031 2015 1415 1408 1442 2338 2171 1996 2746 1149 1855 1847 1663 Intel Pentium 4 3600 1207 1211 2046 1980 1342 1491 2250 2136 1947 3063 1289 1805 1835 1744 Intel Dual-Core Xeon 5080 3733 1261 1162 2101 1788 1377 1518 2355 2196 1943 2821 1301 1899 1896 1747 Intel Dual-Core Xeon 5080 3730 1282 1201 2101 1869 1415 1441 2547 2233 2041 3035 1329 1913 1922 1793 Intel Core Duo T2700 2333 1338 1511 2247 2215 1888 1646 2643 2225 1966 2984 1409 2489 2489 1987 Intel Core2 Duo T7400 2166 1345 1655 2578 3597 1972 1800 2820 2693 2182 3842 1736 2493 2481 2284 Intel Core 2 Duo T7600 2333 1441 1782 2784 3870 2114 1918 3034 2882 2332 4070 1850 2663 2695 2446 Intel Core2 Duo T7600 2333 1446 1781 2793 3852 2128 1933 3040 2892 2345 4096 1858 2687 2699 2455 Intel Core 2 Duo E6600 2400 1492 1899 2931 4316 2190 2010 3134 3017 2515 4451 1949 2776 2773 2588 Intel Core 2 Quad Extreme QX6700 2666 1653 2053 3209 4519 2426 2215 3477 3310 2742 4795 2136 3075 3057 2829 Intel Core 2 Duo E6700 2667 1663 2062 3225 4511 2437 2218 3488 3336 2738 4786 2150 3057 3086 2836 Intel Core 2 Duo E6700 2666 1654 2074 3223 4586 2432 2218 3478 3336 2738 4858 2149 3081 3070 2844 Intel Dual-Core Xeon 5160 3000 1816 2205 3070 4349 2827 2161 3456 3470 2878 4597 2244 3424 3424 2929 Intel Core 2 Extreme X6800 2933 1816 2254 3525 4921 2674 2432 3824 3666 2977 5280 2354 ???? 3367 3108 Коэффициент корреляции 0,981 0,994 0,984 0,944 0,988 0,989 0,983 0,980 0,975 0,974 0,984 0,990
Тип процессора
Измерения характеристик встраиваемой системы
Кроме чистой оценки производительности на основе полученных данных, тесты могут также дать характеристики многоядерного процессора в условиях конкретного приложения при различных параметрах системы. Для примера на рисунках 1 и 2 отражена производительность двух приложений, работающих на двухъядерном процессоре Intel Pentium D и использующих разное число параллельных рабочих элементов. Как видно из рисунков, при выполнении вращения изображения может произойти резкое увеличение производительности системы, по всей вероятности, из-за работы кэш-памяти приложения. При выполнении быстрого преобразования Фурье (БПФ) использование множественных рабочих элементов увеличивает пропускную способность примерно на 20%. При параллельной обработке более двух наборов данных наблюдается небольшое снижение производительности системы. Система на базе двух процессорных ядер — это самый простой случай. С помощью тестов можно снять характеристики системы с количеством ядер больше двух. Рисунки 3 и 4 отражают производительность системы на базе
Таблица 2. Сравнение общей производительности системы на базе двух процессоров Процессор Intel Dual-Core Xeon 5160 Intel Core 2 Extreme X6800 Разница, %
175 Base 2205 2254 2,22
Базовый уровень 2929 3108 6,11
Оценка ММР 3424 3367 –1,68
Реальные данные 3424 ???? –0,99
73
Рис. 1. Производительность системы при выполнении вращения изображения Микроконтроллеры и DSP
CPU2000 и многомерной регрессии позволяет получить более точную информацию об ожидаемой производительности.
Рис. 2. Производительность системы при выполнении БПФ
электронные компоненты №11 2009
Рис. 3. Коэффициент ускорения при выполнении вращения изображения на 16-ядерной процессорной системе
Рис. 4. Пропускная способность при выполнении вращения изображения на 16-ядерной процессорной системе
Микроконтроллеры и DSP
74
16 ядер при выполнении вращения изображения. Эти же рисунки показывают результаты выполнения теста EEMBC по вращению изображения в градациях серого размером 4 Мп. Рисунок 3 отражает эффект использования множественных ядер для ускорения обработки одного изображения, в то время как на рисунке 4 отображены результаты оптимизации пропускной способности системы (т.е. общего количества обработанных изображений). Термин «размер среза данных» отражает глубину синхронизации разных ядер, обрабатывающих одну и ту же картинку, причем меньший размер среза данных требует большей глубины синхронизации. Рисунок 3 показывает, что при обработке одного изображения с использованием нескольких ядер со средней глубиной синхронизации работа системы может ускориться в 5 раз. Заметим, что производительность растет практически линейно при 2—4 активных ядрах, однако когда активны все 16 ядер, производительность падает. Скорее всего, это связано с тем, что при работе 16 ядер затраты системных ресурсов на синхронизацию начинают превышать доступную вычислительную мощность. Рисунок 4 показывает пропускную способность системы, причем каждая линия отражает число процессорных
www.elcp.ru
ядер, работающих с любым отдельным изображением. Можно заметить улучшение пропускной способности более чем в 6 раз. Однако результаты все еще далеки от теоретической возможности 16-кратного ускорения 16-ядерной системы. Также интересно заметить, что работа восьми процессорных ядер обеспечивает наилучшую производительность, когда два изображения обрабатываются одновременно четырьмя процессорными ядрами. Анализ результатов тестирования
Тесты позволяют сделать оценку и сравнить производительность встраиваемой системы, однако часто на основе результатов тестирования могут быть сделаны недостаточно корректные и разумные выводы. Правильная оценка результатов зависит от параметров используемого теста. При анализе полученных результатов следует учитывать следующие факторы: – конфигурацию системы; – сертификацию теста; – режимы выполнения тестирования (базовый или пиковый тест); – анализ однопотоковых и однократных тестовых данных. При сравнении производительности процессоров различных вендоров важно рассматривать систему в целом
и, в первую очередь, анализировать системы, наиболее сходные по конфигурации. Во-вторых, следует определить, сертифицированы ли результаты теста (в случае EEMBC и BDTI), и опубликованы ли они официально (в случае SPEC). Сертифицированные результаты тестирования проверяются сторонними организациями, поэтому они вызывают большее доверие. Официально опубликованные результаты могут быть в дальнейшем пересмотрены другими компаниями. В-третьих, необходимо учитывать условия проведения тестов. Например, SPEC использует два метода проведения тестов для одноядерных процессоров. Первоначальное тестирование, или базовые результаты, требуют ограниченного количества опций, которые должны быть одинаковыми для всех тестов в пакете. Второе тестирование, или пиковые результаты, допускают использование различных опций компилятора. Нецелесообразно сравнивать систему, имеющую базовые результаты тестирования, с системой, для которой были получены пиковые результаты. Подобно SPEC, EEMBC также допускает два типа результатов: стандартные и оптимизированные. Стандартные результаты предполагают, что исходный код теста EEMBC не был модифицирован. Оптимизированные результаты допускают модификацию кода для использования функционально эквивалентных алгоритмов при выполнении тестов. Тестовый пакет BDTI Benchmark Suites предназначен для растущего рынка приложений в области цифровой обработки сигнала. В таких приложениях программное обеспечение обычно тщательно отлажено для целевого процессора, поэтому результаты тестирования на BDTI Benchmark Suites основаны на полностью оптимизированном коде. Кроме того, требуется, чтобы вендоры получили разрешение от BDTI при распространении результатов сравнения продуктов с использованием их тестов. Наконец, следует уделить внимание корректному использованию тестов. Недопустимо сравнивать производительность одноядерного и многоядерного процессоров, используя одноядерные тесты, например CPU2000 base, и утверждать, что многоядерный процессор не увеличивает вдвое производительность и, следовательно, совершенно не пригоден. Такие тесты нельзя использовать для анализа многоядерных процессоров. Литература 1. Max Domeika. Evaluating the performance of multi-core processors.
Управление 8- и 16-разрядными МК посредством интернета Роджер Ричи (Roger Richey), Microchip Technology
Для подключения устройства к глобальной сети необходимо больше ресурсов, чем предоставляют 8- или 16-разрядные микроконтроллеры (МК). В статье приведены способы решения этой проблемы и даны рекомендации по выбору протоколов связи и сетевого контроллера. Статья представляет собой перевод работы [1]. этих МК может не хватить для поддержания ОС. К примеру, базовая версия uCLinux требует 0,5…1 Мбайт памяти ПЗУ и до 500 Кбайт ОЗУ. С учетом стека эти цифры могут оказаться еще больше. В любом случае, возможности 8- и 16-разрядных МК далеки от этих оценок. Необходимо уменьшить стек, оставив минимальный набор протоколов, и заменить обычные для современных устройств операционные системы на более простые. Поскольку приложения, которые мы рассматриваем, не преду сматривают передачи видеопотоков или загрузки больших веб-страниц, то потребность в широкополосном обмене отпадает, следовательно, использование полнофункциональной ОС или целого стека TCP/IP для таких задач будет излишним. Это уменьшает функциональность встраиваемых модулей, но и существенно сокращает необходимый размер памяти. С другой стороны, к тому же термостату или аналогичным устройствам обращается очень мало пользователей, и сеанс связи, как правило, непродолжителен. Таким образом, расширенная функциональность в этом случае вряд ли когда-нибудь будет востребована. Таким образом, сокращение стека — обоснованное решение. На рисунке 1 изображена типичная структура стека TCP/IP. Многие из приведенных протоколов не исполь-
зуются во встраиваемых приложениях, таких как термостат, поэтому их можно исключить, существенно сократив размер стека. Минимальный набор протоколов для подключения к интернету: – физический интерфейс низкого уровня — драйвер для контроллера WiFi или Ethernet; – IP — глобальная адресация для пакетов; – ARP — разрешение адреса; – TCP — основной протокол связи без подтверждения; – UDP — основной протокол связи c подтверждением; – ICMP — отправитель пакетов интернета (Ping) для проверки статуса подключения; – DHCP — автоматический конфигуратор сетевых адресов; – DNS — преобразует адреса URL в IP-адреса. Стоит заметить, что в некоторых приложениях есть дополнительные требования, например, протокол FTP для передачи данных между узлами (это может быть загруженная веб-страница или прошивка для МК). Для отправки электронных сообщений, содержащих изменения статуса, например когда торговый автомат сообщает о том, что запасы кончаются, необходим протокол SMTP. Для загрузки веб-страниц используется протокол HTTP. Как видно
Стек TCP/IP
Стандартный стек TCP/IP оказывается слишком большим для 8- или 16-разрядных МК. Кроме того, ресурсов
75 Микроконтроллеры и DSP
Сети Ethernet имеются сегодня во многих промышленных и жилых помещениях, поэтому возможность дистанционного программирования различных интеллектуальных устройств через эту сеть выглядит весьма привлекательно. Готовое устройство управления, например термостатом, сложно подключить к интернету, а встраиваемый модуль на основе 8- или 16-разрядного МК — легко. На первый взгляд может показаться, что ресурсов 8-разрядного МК для такой задачи не хватит, ведь для работы в интернете нужны специальные протоколы, большой объем памяти и, кроме того, операционная система (ОС), например uCLinux или Embedded Linux. Однако есть много недорогих и простых способов осуществить подключение к интернету 8-, 16- или 32-разрядных МК без использования современнейших ОС или 32-разрядных процессоров. Раньше встраиваемые приложения можно было подключить к интернету только с помощью какого-либо связного устройства, например мобильного телефона, КПК или портативных игровых приставок. Как правило, в них используются современные 32-разрядные микропроцессоры с объемом памяти несколько Мбайт или даже Гбайт, и уже «зашита» стандартная ОС, например Embedded Linux, WIN CE или другие. Встраиваемые устройства, такие как термостаты, системы безопасности или счетчики коммунальных услуг обычно содержат небольшой объем внутренней памяти (всего несколько Кбайт) и, как правило, не имеют предустановленной ОС. Отсюда вытекают две задачи, которые необходимо выполнить для подключения термостата к интернету: обеспечение стека TCP/IP и выбор сетевого контроллера.
Рис. 1. Стандартный стек протоколов TCP/IP
электронные компоненты №11 2009
Рис. 2. Структура сетевого контроллера ENC28J60
из рисунка 1, все эти протоколы относятся к прикладному уровню, поэтому они осуществляются с помощью уже имеющихся основных протоколов. Одним из решений, доступных в сети, может стать ОС Contiki (www.sics.se/contiki). На сайте компании отмечается, что Contiki является открытой компактной многозадачной операционной системой для встраиваемых систем с малым объемом сетевой памяти. Типичная конфигурация Contiki занимает около 2 Кбайт ОЗУ и 40 Кбайт ПЗУ. Модули на основе 8- или 16-разрядного МК отвечают этим требованиям. Другое решение — бесплатный стек TCP/IP от Microchip Technology (www.microchip.com/tcpip). Этот стек был создан специально для PIC-мик роконтроллеров и имеет модульную структуру, чтобы пользователь выбрал только то, что ему нужно. Минимальная конфигурация занимает около 45 Кбайт ПЗУ и 2 Кбайт ОЗУ. Оба этих решения позволяют сократить размер стека до минимума, но в то же время содержат все RFC-протоколы, необходимые для подключения к интернету. Контроллер сетевых протоколов
Микроконтроллеры и DSP
76
Для подключения микроконтроллера к глобальной сети осталось выбрать контроллер сетевых протоколов. Многие интернет-контроллеры выполняют протоколы только канального уровня (МАС) и используют внешний интерфейс физического уровня. Дело в том, что канальный уровень обеспечивается цифровыми логическими схемами, которые занимают мало места на печатной плате. Физический уровень, наоборот, имеет в основном аналоговую природу, поэтому его реализация оказывается не только габаритной, но и дорогой в тестировании. Очень немногие производители 8- или 16-разрядных МК встраивают поддержку протоколов Ethernet в свои устройства. Компания Microchip выпустила первое семейство 8-разрядных МК PIC18F97J60 с поддержкой обоих уровней. Микроконтроллеры
www.elcp.ru
PIC18F97J60 могут содержать стек TCP/ IP и код приложения. Многие из сегодняшних контроллеров Ethernet обеспечивают только интерфейсы, предназначенные для сложных приложений, например КПК, сотовых телефонов или портативных игровых приставок. В этих устройствах обычно используются 32-разрядные МК, а передача информации производится посредством таких протоколов как параллельный PCI или PCMCIA, которые не могут быть реализованы на 8- и 16-разрядных МК. С другой стороны, эти интерфейсы, хотя и сложно, но можно реализовать программно, однако в этом случае поток данных перегружает систему. Более того, для реализации этих стандартов требуется не менее 80 портов ввода/вывода, поэтому на другие функции МК их уже может не хватить. Более подходящим для 8- и 16-разрядных МК может стать предложение ENC28J60 или KSZ8851 от компании Micrel. Оба контроллера используют последовательный интерфейс SPI. Сначала может показаться, что это ограничивает скорость потока данных, однако для наших нужд этого более чем достаточно. Приложения, которые мы рассматриваем, не требуют больших скоростей обмена. Тем более, когда обмен по TCP/IP оптимизирован, проблем с быстродействием не возникает вовсе. С помощью контроллера ENC28J60 скорость передачи данных достигает 400 Кбайт/с — более чем достаточно для правильно организованного обмена TCP/IP (см. рис. 2). Вторым критерием пригодности контроллера являются ресурсы устройства. Объем ресурсов, необходимых для реализации интерфейса, определяется по двум элементам: наличие протоколов канального уровня и емкость ОЗУ. Так, в некоторых системах часть протоколов МАС-уровня реализована в контроллере, а часть — в микроконтроллере. Если управляющий процессор или хост имеют 32-разрядную архитектуру с большим объемом памяти (несколько
Мбайт), то многие требования, предъявляемые к более простым МК, снимаются. В идеальном случае наиболее подходящий для МК интерфейсный контроллер содержит весь набор канальных протоколов. Из-за требований к ОЗУ типичный принцип подключения МК к интернету должен быть изменен с учетом ресурсов 8- или 16-разрядных МК. Обычно контроллер интерфейсов не имеет внутренних буферов ОЗУ, доступных управляющему МК, он только пересылает получаемые пакеты. В случае МК с ограниченным объемом памяти в сетевом контроллере обязательно должен быть буфер, чтобы осуществлять медленный обмен с микроконтроллером. Кроме того, это позволяет МК формировать пакеты в интерфейсном контроллере и отсылать их по мере готовности. Рассмотрим возможность использования WiFi для управления термостатом. С одной стороны, это удобно, однако если продукт не предназначен для массового производства, т.е. для применения в сотовых телефонах или КПК, то реализация WiFi в нем — очень дорогое удовольствие. Правда, это препятствие можно обойти, используя модемы WiFi, но в этом случае требуются драйверы. Тем не менее и беспроводные сетевые контроллеры на рынке есть. Компания G2 Microsystems выпустила контроллер G2C547 в двух вариантах: модульном и в виде законченного корпусного устройства. Контроллер обеспечивает полный стандарт 802.11b/g и обменивается с МК через интерфейс SPI. Компания ZeroG Wireless также планирует выпустить WiFi-модули с SPI и встроенным модулем ОЗУ. Обе компании также разработали драйверы для своих устройств. Заключение
До недавнего времени подключение к интернету было прерогативой только передовых приложений, таких как ПК, серверы, сотовые телефоны, КПК и т.д. Подключение осуществляется с применением полноценных ОС и стандартного стека TCP/IP через сетевой контроллер, разработанный для больших приложений. Теперь появилась возможность подсоединять к глобальной сети и простые встраиваемые приложения — термостаты, коммунальные счетчики, промышленные и сельскохозяйственные системы мониторинга. Этот класс приложений требует очень компактных решений. Литература 1. Roger Richey. Bringing Internet Connec tivity to 8- аnd 16-bit Microcontrollers//RTC, январь 2009 г.
Проблемы совместимости — последнее препятствие на пути СОМ Арнольд Эстеп (Arnold Estep), компания ADLINK В статье рассмотрены проблемы, сдерживающие применение компьютеров на модуле, и описаны возможные пути их преодоления. Статья представляет собой сокращенный перевод работы [1]. На смену традиционным одноплатным компьютерам (SBC — single board computer) приходят компьютеры на модуле (COM — computer on module). Их область применения уже выходит за рамки игровых приложений и электронных киосков, для которых они изначально создавались. Стандарты развиваются, и COM проникают в промышленные, медицинские, авиационные и даже военные системы. Встраиваемые ядра Plug-and-play снижают риски, связанные с нарушением поставок, и расширяют время службы системы. Однако прежде чем объявить победу, необходимо повысить совместимость СОМ различных производителей. Только тогда OEMпроизводители смогут обеспечить возможность модернизации существующих проектов и работать не с одним, а со многими поставщиками ядер. Проблемы совместимости
питания на других платах. Кроме того, модули в виде «черных ящиков» имеют разную емкость нагрузки, цепи питания и усовершенствованный интерфейс управления конфигурированием и энергопотреблением ACPI, что затрудняет их взаимозаменяемость. Чтобы модуль СОМ Express работал правильно, необходимо при подключении внешних устройств обеспечить последовательность подачи питания, согласование на концах линий связи, синхронизацию и реализовать все необходимые цепи включения (см. рис. 2). В этом смысле разработка несущей платы напоминает игру вслепую. Если плата не работает с модулем одной марки, инженер пробует другой, проходя те же этапы. Производители ОЕМ имеют больше поставщиков и тесно контактируют с ними, поэтому им проще предугадать несовместимость каких-либо
77
Рис. 1. Компьютер на модуле компании Adlink
В с т ра и в а е м ы е с и с т е м ы
Архитектура СОМ объединяет заказную несущую плату и стандартное процессорное ядро. Это гибкое решение, подходящее для тех проектов, в которых не хватает ресурсов или времени для разработки заказного одноплатного компьютера. По сравнению с полностью заказными проектами, СОМ имеют много преимуществ, в том числе сужение сферы деятельности инженера,
облегчение проектирования и более быстрый выход на рынок. Обычно на разработку несущей платы затрачивается, по крайней мере, в два раза меньше времени, чем на выполнение заказного OEM-проекта. Пример компьютера на модуле показан на рисунке 1. Идея, лежащая в основе компьютера на модуле, проста. На несущей плате находятся схемы питания, а в компьютерном модуле — процессор и чипсет со встроенными шинами и интерфейсом взаимодействия с платой. В одноплатных компьютерах, наоборот, интерфейс ввода/вывода перенесен на разъемы, а шины расширения — на стандартные интерфейсы, например PC/104. Таким образом, СОМ является логическим продолжением архитектуры одноплатных компьютеров. На этом сходства между ними кончаются. Стандарт охватывает пусковые устройства, шины и интерфейсы ввода/ вывода, но в нем не упоминаются логические уровни (5 В; 3,3 В; 2,5 В и т.д.), согласование и подтягивающие резисторы, хотя все эти вопросы являются неотъемлемой частью проектирования несущей платы. В SBC источники питания расположены на одной плате с чипсетом и процессором. Для СОМмодулей стандарт устанавливает требование располагать все источники
Рис. 2. Интерфейс COM Express с 440 выводами
электронные компоненты №11 2009
В с т ра и в а е м ы е с и с т е м ы
78
элементов на ранней стадии производственного цикла. Проектирование системы, для которой подходит только один модуль, рискованно, поскольку могут возникнуть неожиданные проблемы при срывах или задержках поставок. Очень часто в таких случаях модуль другого производителя не загружается или работает неправильно. Проблемы совместимости хорошо известны в сообществе поставщиков элементов для СОМ, и, к сожалению, многие из них пользуются этим обстоятельством. Покончить с таким положением вещей намерены две рабочие группы: PICMG и SFF-SIG. Первая собирается модернизировать существующий стандарт СОM Express, а вторая призывает разработать полностью новую архитектуру, совместимую как существующими интерфейсами, так и с будущими (USB 3.0 и PCI Express 2.0). В течение целого года организация PIGMG работала над документом Carrier Design Guide («Руководство к разработке несущих плат»). Он содержит подробные описания и схемы опорных источников, которые помогут ОЕМпроизводителям и компаниям, оказывающим услуги по проектированию, создавать стандартные периферийные устройства на специализированных несущих платах. Архитектуры компью-
www.elcp.ru
терных шин, например PCI Express, PCI, LPC или SMBus, можно расширить так, чтобы они поддерживали больше периферийных устройств. Руководство Carrier Design Guide дополняет стандарт СОМ.0 для модулей СОМ Express. Многие производители COM Express дорабатывают несущие платы в соответствии с этим документом, что существенно повышает совместимость СОМ. Кроме того, эта мера благоприятно отразится на связности разработок в будущем. Под связностью подразум ев ае тся также организация питания. Стандарт ACPI определяет энергосберегающие уровни системы в режиме ожидания, но реализация питания всего модуля COM Express задана неоднозначно. В связи с этим в руководстве определены все возможные схемы питания, включая standby, которые питаются, даже когда отключены все другие линии. Кроме того, сигнал приостановки и пробуждения системы определяется более основательно. В руководстве поясняется, как организовывать питание периферийных устройств, чтобы они продолжали работать в режиме suspend и soft off. Еще один камень преткновения — выполнение последовательных портов и других «наследственных» периферийных интерфейсов. В руководстве отмечено, что несущие платы СОМ имеют
ограниченную поддержку шины LPC (low pin count) для этих интерфейсов. Вместо нее предлагается использовать plug-and-play-модель устройств USB, PCI и PCI Express для последовательных и других «наследственных» портов. В руководстве описаны все аспекты, важные для проектирования несущей платы, включая типы развязывающих и блокирующих конденсаторов, емкость нагрузки в цепях питания, номиналы подтягивающих резисторов, схемы сброса и согласования и т.д. Планы SFF-SIG
Группа SFF-SIG предлагает архитектуру СОМ, не требующую дополнительных руководств помимо документации производителя. Предлагаемый группой SFF-SIG стандарт назван COMIT (computer on module interconnect technology — технология подсоединения СОМ). Он описывает быстродействующую (до 10 ГГц) модульную коммутационную систему, содержащую все распространенные существующие интерфейсы (см. рис. 3). Задача заключается в разработке архитектуры подсоединения компактного ядра, которая охватывала бы большинство существующих и будущих интерфейсов встраиваемых систем. Разъем PATA/IDE является необязательным. Он намеренно выполнен отдельно, с тем чтобы его можно было удалить без ущерба функциональности, если устройства SATA или SD окончательно потеснят стандарт IDE.
Рис. 3. Интерфейсы, входящие в COMIT
Рис. 4. Последовательность подачи напряжения питания по стандарту COMIT
Последовательность подачи питания
Для совместимости модулей необходим не только единый принцип питания, но и единая последовательность подачи напряжения на линии. Такая последовательность установлена в стандарте COMIT. Как видно из рисунка 4, сначала напряжение подается на батарею, питающую часы реального времени (VBAT). Затем включается 3,3 VSB (схема Standby) и основной источник 5 В, после чего вырабатывается сигнал PWRGOOD (питание подано правильно). Выключение модуля происходит в обратном порядке. Соблюдение правильной последовательности предупреждает блокировку, неустойчивое поведение, несрабатывание и прочие проблемы, которые могут возникнуть при замене процессорного модуля. Разъем SEARAY компании Samtec обеспечивает большую производительность, высокую плотность расположения ножек и хорошую прочность. Внешне он представляет собой пару соединителей с 240 ножками, расположенными с шагом 0,05 дюйма (см.
рис. 5). Компания уже обменялась с корпорацией Molex лицензией на производство соединителей SEARAY для военных, медицинских, аэрокосмических и промышленных систем. Данный соединитель может работать с дифференциальными сигналами до 9 ГГц (с учетом вносимых потерь –3 дБ). Стандарт COMIT поддерживает несколько распространенных интерфейсов, работающих на низких и средних скоростях, а также промышленные последовательные интерфейсы SMBus, I2C, SPI, Microwire и UART. Сигнал тревоги (alert) SMBus используется для прерываний SMBus или индикации проблем в цепи питания. В интерфейсы SPI и Microwire добавлены два сигнала chip select, но в целевом устройстве их можно увеличить до требуемого количества. Высокий уровень сигнала для SPI и SMBus равен 3,3 В. Тем не менее имеется возможность использовать устройства, работающие от 5 В, при условии, что они не будут подавать на шину сигналы выше 3,3 В. Высокий уровень для сигналов UART установлен только на уровне 3,3 В. При необходимости на плате устанавливают преобразователь уровней. Хотя руководство и COMIT помогают обеспечить взаимозаменяемость СОМ, в каждом конкретном проекте разработчикам следует ознакомиться с документацией производителя, чтобы правильно спроек тировать несущую плату. Таким образом, пока все еще сохраняется необ-
Рис. 5. Основной интерфейсный разъем с 240 выводами и отдельный дополнительный разъем IDE (сзади)
ходимость проведения анализа характеристик модулей различных производителей, чтобы избежать проблем несовместимости. Литература 1. Arnold Estep. Interoperability scores a victory with Plug and Play COM spec// RTC, апрель 2009 г.
События рынка | HP покупает 3Com за 2,7 млрд долл. | Компания HP объявила о том, что купит поставщика сетевого оборудования и решений для безопасности и передачи данных 3Com Corporation, одного из лидирующих производителей сетевого оборудования и решений для безопасности и передачи данных, за 2,7 млрд долл. Эта сделка позволит HP конкурировать в этих сегментах с Cisco. По словам представителей HP, объединение с 3Com изменит всю индустрию сетевого оборудования и позволит клиентам компании упростить их работу. Завершение покупки намечено на первую половину следующего года, после того как будет получено одобрение регулирующих органов. Эта сделка является еще одним доказательством того, что, расширяя свои сферы деятельности, такие технологические гиганты как HP, IBM, Oracle и Cisco проникают на исторические территории друг друга, стремясь предоставлять своим клиентам полный набор услуг. www.russianelectronics.ru
электронные компоненты №11 2009
79 В с т ра и в а е м ы е с и с т е м ы
Для обеспечения взаимозаменяемости модулей важно унифицировать принцип организации питания и уровни сигналов. Предусмотрено 37 ножек земли и 21 ножка питания для запитывания схемы, согласования импедансов и контроля уровня электромагнитного излучения и чувствительности. Дополнительные ножки необходимы, поскольку скорость обмена постоянно растет. Управление питанием осуществляется в соответствии с конвенцией ATX стандарта ACPI. Это упрощает управление питанием модуля и гарантирует, что все уровни, кроме стандартных 3,3 В, 5 В и 12 В, генерируются в процессорном модуле. Второй важный для совместимости аспект касается высокого уровня логического сигнала. В современных процессорах используется 2,5 В, а в более старых несущих платах — 3,3 В. Чтобы не возникало ошибок, сигнальные цепи должны выдерживать напряжение до 3,3 В.
Философия COMsistent: с технологией COM Express — в будущее! Джозеф Бехаммер (Josef Behammer), холдинг Kontron Благодаря своим впечатляющим успехам и отличным перспективам стандарт COM Express стал для рынка встраиваемых модулей эталоном и останется таковым еще достаточно длительное время.
80
Изделия типа «компьютер-на-модуле» (Computer-OnModule — COM) существуют уже более 10 лет и используются в широчайшем спектре реальных приложений. Будучи изделиями с высоким уровнем интеграции, для превращения которых в полноценный компьютер необходима лишь базовая плата, модули COM обеспечивают компьютеризацию все большего числа устройств и систем в таких прикладных сферах как торговля, промышленность, обеспечение безопасности и медицинская техника. Почва для такого успеха была подготовлена, в частности, стандартом COM Express. Этот стандарт продолжает служить отправной точкой при создании новых сверхмалогабаритных форм-факторов типа nanoETXexpress (см. рис. 1) и благодаря этому постоянно развивается (см. рис. 2). Центральная идея, лежащая в основе концепции COM, столь же проста, сколь и практична. Приобретая модуль COM, инженер получает в свое распоряжение готовое стандартизованное изделие, где уже есть процессор, шина, память и средства ввода-вывода — остается лишь позаботиться о реализации дополнительной логики и физических интерфейсов на плате-носителе. В результате инженер может полностью посвятить себя прикладной стороне проекта, забыв о его рутинной части. Если ему понадобится большая производительность или меньшее энергопотребление, он заменит один модуль COM на другой, оснащенный более быстрым процессором и/или рассеивающий меньшую мощность. Поскольку поставщик модуля COM фактически уже выполнил значительную часть работы по созданию конечной системы, она появится на рынке гораздо быстрее, чем с помощью других подходов. Кроме того, благодаря стандартизации выбирающий технологию COM инженер не привязывает себя к определенному поставщику. Одной из важных вех в истории компьютеров-на-модуле стало принятие отраслевого стандарта, определившего размеры модулей COM, физическое расположение разъемов и назначение контактов. В июле 2005 г. Международный консорциум PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group), объединяющий в своих рядах более 450 компаний,
Рис. 1. Модули COM Express разных типоразмеров
WWW.ELCP.RU
опубликовал спецификацию COM Express. В настоящее время данный стандарт определяет модули типоразмеров «базовый» и «расширенный» (125×95 и 155×95 мм, соответственно). Ожидается получение официального статуса еще двумя форм-факторами: «компактным» (конструктив microETXexpress, 95×95 мм) и «ультра» (84×55 мм). Модули, реализованные в этих конструктивах, подключаются к базовой плате через один либо через два 220-контактных разъема. На сегодняшний день определены разъемы COM Express пяти различных типов: от COM Express Type 1 до COM Express Type 5. Стандарт COM Express предусматривает выделение контактов для таких распространенных интерфейсов как PCI, PCI Express, PCI Express Graphics, Serial ATA, LVDS, USB, Gigabit Ethernet, AC97 и GPIO. Главным отличием изделий COM Express от предыдущих компьютеров-на-модуле, существовавших до появления технологии COM Express (DIMM-PC, X-board), является способ подключения модуля к плате-носителю: в стандарте COM Express краевые соединители типа «гребенка» заменены на перспективные штырьковые разъемы. Это было сделано потому, что в краевых соединителях сигнал затухает сильнее; более сильное затухание сигнала влечет за собой уменьшение длины трасс на плате-носителе (а длины трасс уже уменьшились в связи с популяризацией философии Green IT). К тому же штырьковый разъем COM Express эффективнее противостоит воздействию ударов и вибрации и имеет гораздо лучшую электромагнитную совместимость. Стандарт COM Express имеет массу преимуществ: конечные продукты на базе модулей COM быстрее появляются на рынке, разработчики адаптируют свои системы под разные требования с минимальными затратами и минимизируют риски в долгосрочной перспективе, а модули COM реализуются в оптимизированных форм-факторах. При использовании изделий класса COM снижается стоимость жизненного цикла изделий, поскольку одни модули легко заменяются другими. Кроме того, модули COM обладают длительным жизненным циклом и хорошим потенциалом для расширения функциональности в будущем. Ключом к успеху стандарта COM Express стала мудрость консорциума PICMG. При разработке исходной спецификации эксперты PICMG приняли во внимание как тенденцию к миниатюризации компьютерных изделий, так и широту спектра тех приложений, где подобные малогабаритные изделия теоретически могли бы применяться. Базовый форм-фактор COM Express размерами 125×95 мм является, по сути, прямым потомком чрезвычайно популярного конструктива ETX и наследником успеха одноименной технологии. Модули формата ETX продолжают пользоваться огромным спросом и сегодня, обладая достаточным местом для размещения высокопроизводительных процессоров и множества других компонентов. Еще одним важным преимуществом «базового» типоразмера является стандартизация распределения тепла, которая возможна благодаря сравнительно большим размерам этих модулей. В продуктовом предложении холдинга Kontron модули COM
Рис. 2. Эволюция концепций COM и COM Express
Рис. 3. Рост продаж COM-модулей с разъемом COM Express Type 1 в млн. долл. (по данным аналитического агентства VDC)
82
Express формата «базовый» образуют линейку ETXexpress. Появление на рынке новых миниатюрных чипов и, прежде всего, рост спроса на модули уменьшенных размеров обусловили разработку специалистами холдинга Kontron квадратного конструктива 95×95 мм, получившего название microETXexpress. Модули microETXexpress обладают преимуществом, связанным с пониженным энергопотреблением процессоров нового поколения, которые выделяют меньше тепла и, следовательно, требуют меньшего охлаждения. От модулей «базового» типоразмера изделия в «компактном» конструктиве microETXexpress отличаются лишь физическими размерами; по интерфейсам и назначению контактов модули этих двух форматов абсолютно идентичны и совместимы. Крепежные отверстия у модулей microETXexpress и модулей COM Express в конструктиве «базовый» также совпадают, что делает «базовые» модули COM Express и изделия формата microETXexpress взаимозаменяемыми. Одним из главных событий 2008 г., связанных с технологией COM Express, стало появление COM-модулей с процессорами Intel Atom. В секторе встраиваемых приложений компьютеры-на-модуле, оснащенные процессорами Intel Atom, отлично подходят для модернизации различных небольших x86-совместимых систем, в т.ч. с питанием от батарей, а в особенности тех систем, где требуются комплектующие с минимально низким энергопотреблением. COM-модули на базе ЦП Intel Atom могут использоваться в RFID-сканерах, в оборудовании для курьерских служб, мобильной медицинской технике, децентрализованных промышленных управляющих системах, в мобильных сред-
WWW.ELCP.RU
ствах автомобильной диагностики, игровых автоматах, в торговых и информационных терминалах с питанием от солнечных батарей и др. Уменьшение размеров процессоров вкупе со значительным уменьшением их энергопотребления позволило еще больше снизить размеры модулей. Модули COM Express формата «ультра» (у холдинга Kontron такие изделия объединены в продуктовую серию nanoETXexpress), имеющие размеры кредитной карточки (84×55 мм), распространяют сферу влияния стандарта COM Express на те приложения, где ранее применялись модули DIMM-PC, позволяя использовать в этих приложениях хорошо зарекомендовавшие себя методы проектирования печатных плат и перспективные разъемы. Чтобы облегчить переход пользователей на сверхмалогабаритные модули нового типа, изделия nanoETXexpress поддерживают входные напряжения в диапазоне 4,75…14 В. Одним из главных преимуществ модулей nanoETXexpress является то, что, несмотря на свои исключительно малые размеры, они остаются полностью совместимыми с модулями COM Express «базового» формата и с модулями microETXexpress по разъему COM Express Type 1 и назначению его контактов. Большое значение стандарта COM Express для индустрии COM подтверждается исследованиями рынка. В 2007 г. модули ETX занимали 54% рынка COM, однако в 2010 г. их доля составит лишь 26%. За этот же период продажи модулей COM Express вырастут с 41 до 72% (см. рис. 3). Остальные несколько процентов поделят между собой изделия XTX и DIMM-PC (источник: отчет Merchant Computer Boards for Embedded/Real-Time Applications аналитического агентства VDC Research Group за 2008 г.). Прогнозы говорят также о том, что, несмотря на продолжающуюся миниатюризацию, у стандарта COM Express останется роль отраслевого ориентира. По мнению экспертов агентства VDC, доля COM-модулей, оснащенных разъемом COM Express Type 1, будет увеличиваться на 70% в год и составит в 2010 г. 21% от всего рынка COM. Это означает, что популярность изделий с разъемом COM Express Type 1 (одними из наиболее ярких представителей данной товарной группы являются изделия формата nanoETXexpress) будет расти чрезвычайно быстро. Аналитики агентства VDC считают, что модули с разъемами COM Express Type 1 и COM Express Type 2 займут в сумме около 93% рынка COM, что фактически сделает их «стандартом внутри стандарта». Эксперты VDC рекомендуют разработчикам инвестировать в компьютеры-на-модуле вообще и в изделия COM Express в частности, поскольку на сегодняшний день COM Express является наиболее технически зрелой COM-архитектурой, обеспечивающей самую высокую производительность конечных систем. Надежность технологии COM Express как объекта инвестиций подтверждается также постоянно увеличивающимся числом новаторских проектов в передовых сегментах на базе модулей COM Express. В настоящее время разрабатываются новые подходы к созданию медицинской техники, благодаря которым такие высокотехнологичные устройства, например, как ультразвуковые сканеры и средства удаленного контроля состояния пациентов могут вскоре стать мобильными. Надежные перспективные изделия типа COM востребованы именно в таких прикладных областях. Идет ли речь о высокопроизводительных графических/мультимедийных приложениях, носимых устройствах, мультивидеоэкранах (digital signage), кассовых аппаратах либо информационных терминалах — повсюду в индустрии встраиваемых систем требуются устройства меньших размеров с большей функциональностью. Существенное упрощение базовой интеграции на уровне плат, обеспечиваемое модулями COM, особенно важно в тех ситуациях, когда разработчики существенно ограничены в сроках. Еще одним фактором, ускоряющим выход на рынок, является использование стандартизованных продуктов.
Микросхемы NVRAM серий TimeKeeper и ZeroPower компании STMicroelectronics Джафер Меджахед, менеджер по продукции STMicroelectronics, ЗАО «Компэл» STMicroelectronics является одним из ведущих в мире производителей микросхем NVRAM c объемами памяти 16 Кбит…32 Мбит. Cемейство M48 NVRAM STM с параллельным интерфейсом представлено двумя сериями: ZEROPOWER и TIMEKEEPER. ZEROPOWER — название серии микросхем ST NVRAM без встроенных часов реального времени (M48Zxxx). TIMEKEEPER — название ST микросхем NVRAM со встроенным модулем RTC (M48Txxx). Энергонезависимая память NVRAM (Non-Volatile Random Access Memory) серии M48xxx выполнена на основе оперативной памяти LPSRAM (Low Power SRAM — статическое ОЗУ с низким потреблением в режиме хранения данных), сохраняющей данные при аварийном отключении основного питания благодаря встроенному источнику резервного питания — литиевой батарее. Слежение за уровнем напряжения основного питания и переключение в режим питания от резервного источника обеспечивает интегрированная схема контроля — супервизор. Малые внутренние утечки и утечки по входам LSRAM, а также использование специальных литиевых элементов с низкими токами саморазряда гарантируют работоспособность NVRAM и сохранение данных в течение 10 лет при питании только от внутренней литиевой батареи. От NVRAM требуется надежность фиксации аварийной ситуации и хранение данных на время отключения основного источника. Параллельная шина обеспечивает оперативный и быстрый доступ к памяти без снижения производительности базовой процессорной платы. Для обеих серий микросхем используется гибридная технология. В корпусе микросхем NVRAM монтируются кристаллы LSRAM, супервизор питания, кристалл часов реального времени (для М48Т). На втором уровне над микросхемой монтируются кварцевый резонатор (для М48Т) и литиевая батарея.
Интегрированный в NVRAM модуль Supervisor обеспечивает переключение между основным источником питания и резервным (литиевой батареей), чтобы обеспечить хранение записанных данных в SRAM при потере основного питания. На рисунке 1 показана структура и использование NVRAM ZEROPOWER. На рисунке 2 показана структура микросхемы M48T512 TimeKeeper с объемом памяти 512 Кбайт. Регистры часов реального времени RTC в структуре микросхем TimeKeeper отображены в адресном пространстве SRAM. Цоколевка корпусов микросхем ZeroPower и TimeKeeper полностью соответствует стандартной JEDECцоколевке обычных SRAM для соответствующих объемов памяти. В номенклатуре NVRAM ZeroPower и TimeKeeper предусмотрены версии микросхем с различными диапазонами рабочих напряжений питания: 3,0…3,6 В; 4,5…5,5 В; 4,75…5,5 В. Цикл записи и чтения одинаковый. Как и для обычных SRAM, для каждого типа микросхем NVRAM имеются модификации с разным быстродействием 70…200 нс. Его индекс присутствует в обозначении микросхемы. История создания микросхем реального времени
Американский патент на структуру часов реального времени был выдан 20 октября 1987 г. В заявке были
83
Рис. 1. Структура и использование NVRAM ZeroPower
электронные компоненты №11 2009
небольшими сериями для применения в специальном лабораторном оборудовании. Концепция разработок NVRAM STM
Рис. 2. Структура M48T512 TimeKeeper
описаны даже корпуса гибридных функциональных модулей часов реального времени со встроенным кварцевым резонатором и источником резервного питания. Первоначально предполагалось, что источником резервного питания станет конденсатор высокой емкости с малыми утечками тока. В дальнейшем стали использоваться дисковые литиевые батареи малой емкости для наручных часов. Впервые RTC были использованы в компьютерах класса IBM PC AT. Motorola была первой фирмой, которая в 1982 г. создала микросхему аппаратных часов реального времени MC146818. Первые образцы микросхем реального времени со встроенным источником резервного питания появились в 1987 г. и использовались в медицинских системах. История создания NVRAM
Заявка на изобретение, в которой предлагалась структура памяти с возможностью сохранения данных при аварийном падении напряжения, была подана в 1982 г. Заявитель — фирма IBM. Патент был получен в мае 1984 г. Впервые в мире модуль NVRAM с питанием от литиевой батареи и в DIL-корпусе создала компания Greenwich Instruments. Фирма до сих пор выпускает такую память
Объем памяти
84
M48Z2M1V M48Z2M1Y M48Z512BV M48Z512AY M48Z512A M48Z18 M48Z08 M48Z58Y M48Z58 M48Z12 M48Z02
16 Мбит (2 Мбит×8) 4 Мбит (512 Кбит×8)
Uпит. мин., В 3,0 4,5 3,0
Номенклатура микросхем серий ZeroPower и TimeKeeper
Большинство микросхем энергонезависимой памяти выпускается для коммерческого диапазона температур (0…70°С), но предлагается также серия микросхем M48Z512AY с индустриальным (–40…85°С) и коммерческим диапазонами рабочих температур. В таблицах 1 и 2 представлены параметры некоторых ИС семейств ZeroPower и TimeKeeper. Типы корпусов NVRAM STM
Таблица 1. Параметры некоторых микросхем памяти ZeroPower компании ST Тип
Фирма STMicroelectronics начала разработки в секторе NVRAM и Time-Keeping в конце 1990-х гг. В этот период на рынке NVRAM доминировала Dallas Semiconductor. Для создания конкурентоспособной продукции потребовались новые решения, больший уровень интеграции и меньший уровень себестоимости продукции. ST проектировала серии NVRAM в качестве недорогой альтернативы продукции Dallas Semi. При этом обеспечивалась полная конструктивная и функциональная совместимость с аналогичными микросхемами Dallas Semi. В дальнейшем были разработаны и свои конструктивные и архитектурные решения, которые позволили ST расширить секторы применения NVRAM и обеспечить потребителям более широкий выбор, особенно при реализации недорогих устройств. В частности, в секцию RTC были добавлены функции сторожевого таймера (Watchdog), а в секцию супервизора — мониторинг питания литиевой батареи и выход сброса по питанию процессора.
Uпит. Диапазон рабочих Корпус макс., В температур, °С 3,6 PLDIP36 5,5 0...70 3,6 PMDIP32 0...70, –40...85
Микросхемы памяти ZEROPOWER NVRAM выпускаются в нескольких типах корпусов. Основным корпусом для поверхностного монтажа (SMD) является SNAPHAT. Микросхема в корпусе SOH28 имеет стандартное расположение выводов статической памяти SRAM, а литиевая батарея крепится сверху с помощью фиксаторов для ее оперативной замены. Низкопрофильный корпус SNAPHAT позволяет установить батарею непосредственно перед началом эксплуатации прибора, что продлевает срок службы резервного источника питания. Корпуса CAPHAT имеют встроенную несъемную батарею, т.к. в большинстве случаев хранение данных в течение гарантированного срока 10 лет вполне достаточно при отключенном основном питании. Микросхема преобразователя LPSRAM в NVRAM
64 Кбит (8 Кбит×8)
PCDIP28 4,5
5,5
0...70
16 Кбит (2 Кбит×8)
PCDIP28, SOH28 PCDIP24
STMicroelectronics разработала еще одно устройство семейства контроллеров TimeKeeper с интегрированными функциями для преобразования обычной низкопотребляющей LPSRAM в надежное и недорогое устройство Non-Volatile RAM/Real Time Clock. M48T201V обеспечивает полную функциональность популярной сери ST TIMEKEEPER
Таблица 2. Параметры некоторых часов реального времени TimeKeeper компании ST Тип M48T02 M48T13 M48T129V M48T18 M48T35 M48T37V M48T512Y M48T58
WWW.ELCP.RU
Корпус PDIP24 DIP–24 ZeroPower Hybrid Module 32L PDIP–28 ZeroPower Hybrid Module 32L DIP–28 ZeroPower
Память 16 Кбит (2 Кбит×8) 1 Mбит (128 Кбит×8) 64 Кбит (8 Кбит×8 256 Кбит (32 Кбит×8) 4 Mбит (512 Кбит×8) 64 Кбит (8 Кбит×8
Диапазон питания, В 4,75…5,5 4,5…5,5 3…3,6 4,5…5,5 4,75…5,5 3…3,6 4,5…5,5 4,75…5,5
Программируемый Alarm – – Да
Встроенный сторожевой таймер – – Да –
Да
Да
Контроллер падения напряжения Да – – Да – Да
RTC, например M48T37Y, включая схему контроля падения напряжения, литиевую батарею, часы реального времени с поддержкой тревожных сигналов и кварцевый резонатор, что позволит разработчику применить внешнюю и недорогую низкопотребляющую SRAM (LPSRAM) для уменьшения стоимости систем. Контроллер «слушает» всю шину адреса и транслирует сигналы разрешения работы с памятью (E/G). Ключевым преимуществом M48T201V является добавление 8-разрядного центрального регистра Century Register, обеспечивающего полную совместимость с проблемой Y2K. Использование NVRAM больших объемов
Следует признать, что в большинстве случаев для хранения данных конфигурации системы или аварийных логов применяются другие и более дешевые устройства NVRAM, например на основе EEPROM, FRAM или FLASH. В них, как правило, используется последовательный интерфейс. Размер конфигурационных файлов не столь значителен и мало изменяется во времени. Время восстановления конфигурации не так критично. Для многих устройств катастрофические отказы по причине падения питания не так фатальны, а время восстановления работоспособности, указанное в спецификации на устройство, достаточно большое. Однако в специфических приложениях для повышения надежности работы оборудования и уменьшения времени восстановления должна использоваться именно оперативная память с большим объемом. В процессе работы в этой памяти производится интенсивный обмен в режиме записи-чтения, в процессе которого заносятся опорные параметрические файлы системы и стираются старые. При отказе по питанию операционная система, обратившись к оперативной памяти, сохраненной накануне крушения, может легко и быстро возобновить штатную работу с
минимальными потерями и за минимально возможное время. Именно в таких случаях востребованы NVRAM, выполненные на базе быстрой статической КМОП-памяти больших объемов и с малым потреблением. При падении напряжения монитор питания, обслуживающий память, вовремя отслеживает аварийную систему, блокирует операции обновления памяти и переводит ее в режим хранения с малым потреблением, а также подключает аварийный источник питания. Так работают все NVRAM с аварийным источником. Основное применение памяти NVRAM большой емкости — файловые серверы, сетевые серверы, маршрутизаторы, устройства управления дисковыми массивами памяти RAID. Поддержка NVRAM обеспечивается на уровне операционной системы. В NVRAM периодически записывается служебная информация, для того чтобы быстро восстановить целостность файловой системы в случае нештатного завершения работы при нарушениях питания. При этом использующая NVRAM система должна уметь быстро перезапуститься, в т.ч. после нештатного завершения работы, например в случае отказа по питанию или программной ошибки. Одним из основных и принципиальных свойств программы сохранения файловой системы являются т.н. «снимки» (snapshots) — копии всей файловой системы, предназначенные только для чтения. Для хранения записей операций с файлами используется NVRAM. В случае некорректного выключения файловая система воспроизводит все запросы в записи, чтобы сохранить их от потери. Запись операций NFS в NVRAM имеет несколько преимуществ перед традиционными методами использования NVRAM для кэширования записей на уровне дисков. Обработка операций NFS и кэширование получившихся дисковых записей занимает, в общем случае, гораздо больше пространства в NVRAM, чем простая
электронные компоненты №11 2009
85
Рис. 3. Реализация 64-Мбит энергонезависимой памяти из четырех микросхем LPSRAM с объемом 16 Мбит
86
запись информации, необходимой для воспроизведения операции. Например, для перемещения файла из одной директории в другую файловая система должна обновить содержимое как директории-источника, так и получателя. Использование NVRAM как традиционного кэша с обратной записью дисковых блоков (write-back cache) превращает ее в важную и неотъемлемую часть дисковой подсистемы. Ошибка в NVRAM может повредить файловую систему так, что программа проверки целостности и восстановления файловой системы не сможет выполнить обнаружение или восстановление. Файловая система с кэшированием данных в NVRAM осуществляет все эти операции и, не ожидая записи данных на диск, записывает их в NVRAM. Расширение объема NVRAM ZeroPower
В некоторых случаях требуется гораздо больший объем энергонезависимой памяти, чем содержится в одной микросхеме. В настоящее время максимальный объем памяти ZEROPOWER NVRAM, выпускаемой STMicroelectronics, составляет 16 Мбит. Для создания энергонезависимой памяти объемом 64 Мбит компания предлагает использовать четыре микросхемы LPSRAM и специализированный контроллер (супервизор) M40Z300W (напряжение питания 3,0…3,6 В) или M40Z300 (напряжение питания 4,5…5,5 В) с собственным резервным питанием от встроенной литиевой батареи (см. рис. 3). Сравнение NVRAM Maxim и ST
Микросхемы серий ZeroPower и TimeKeeper функционально полностью совместимы с аналогичными микросхемами
WWW.ELCP.RU
NVRAM Maxim. Обе фирмы используют примерно одинаковую технологию SRAM. Номенклатура по объему памяти микросхем с RTC и без них также идентичны. Обе фирмы выпускают микросхемы для различных диапазонов рабочих напряжений. Опции микросхем для двух температурных диапазонов одинаковые. Микросхемы NVRAM STMicroelectronics отличаются, в первую очередь, более высокой интеграцией, наличием встроенного переключателя батареи и возможностью программной калибровки часов, для чего используется программное обеспечение. Обе фирмы используют вариант технологии корпусов с верхним прицепным батарейным модулем SNAPHAT (ST) и POWERCAP (Maxim). Более высокий уровень интеграции, используемый ST, обеспечивает более низкий уровень цен продукции NVRAM, по сравнению с ценами на аналогичную продукцию Maxim. Дополнительные интегрированные функции и возможность расширения объема памяти позволяют линейке NVRAM STM получить определенное преимущество, по сравнению с продукцией Maxim. Литература 1. Е. Звонарев. ZeroPower NVRAM — микросхемы энергонезависимой памяти//Новости электроники №2, 2009. 2. Е. Звонарев. Часы реального времени//Новости электроники №8, 2008. 3. C. Wallace. Electrically Erasable Memory Behaves Like a Fast, Nonvolatile RAM Devices//Electronics, May 10, 1979, vol. ED-28, No. 9, Sep. 1981. 4. А. Юдин. Микросхемы памяти STMicroelectronics//Компоненты и технологии №2, 2004 г.
87
электронные компоненты №11 2009
Двухдиапазонный частотомер Александр Каменский, техн. консультант, «Мастер Кит» Статья посвящена частотомеру ВМ8010, работающему на двух диапазонах частот. Описан принцип работы и дана принципиальная схема устройства. Внешний вид частотомера приведен на рисунке 1. Достоинствами данной модели являются широкий диапазон измеряемых частот (1 Гц...960 МГц), малые размеры и вес, привлекательный внешний вид. Частотомер может быть использован как в качестве узла радиолюбительской аппаратуры, так и в качестве отдельного измерительного устройства. Заметим, что у данного устройства есть возможность менять диапазон измеряемых частот путем перепрограммирования основной микросхемы. При работе вне прежних пределов рекомендуется применять дополнительные внешние схемы, такие как усилители, триггеры Шмидта и т.д. Описание схемы частотомера
Электрическая схема устройства и вид печатной платы приведены на рисунке 2 и 4, соответственно. Основным элементом частотомера является микросхема IC4 — система на кристалле (СнК) CY8C27543-24AXI. Она выполняет следующие функции:
– вычисление частоты импульсов, поступающих на входы P2.2 (НЧ-канал) и P2.0 (ВЧ-канал); – выдача опорных напряжений для компаратора (P0.5 — ВЧ-канал, P0.3 — НЧ-канал); – обработка по прерыванию нажатий на кнопки управления K1…K3; – управление ЖК-индикатором. Тактирование микросхемы производится встроенным высокочастотным генератором с внешним опорным кварцевым резонатором ZQ1. Напряжение питания подается на схему через разъем XS3. Диод VD1 обеспечивает защиту от переполюсовки. Микросхема линейного стабилизатора IC3 преобразует входное напряжение до рабочего 5 В, а конденсаторы С7 и С10–С14 обеспечивают фильтрацию для надежной работы устройства. Компаратор IC2 обеспечивает требуемые характеристики фронтов сигналов для правильной обработки их СнК. При этом для каждого входного канала используется собственное опорное напряжение, настроить которое можно только
п о с л е ра б о т ы
88
Рис. 2. Принципиальная схема двухканального частотомера
www.elcp.ru
для НЧ-канала. Для ВЧ-канала опорное напряжение фиксировано и определяется характеристиками микросхемы делителя. Дополнительно на входе НЧ-канала применена схема защиты на основе резистора R1 и сборки диодов Шоттки VD2. Для вычисления частоты сигнала, поступающего на ВЧ-канал, применена микросхема IC1 — делитель с коэффициентом 80. Входное сопротивление ВЧ-входа стандартно и равно 50 Ом.
Рис. 1. Внешний вид двухдиапазонного частотомера BM8010
Рис. 3. Определение входной частоты
Параметр Значение Напряжение питания, В 9…15 Относительная погрешность измерения, не более 0,001 Сопротивление НЧ входа, Rвх, Ом 50 Сопротивление ВЧ входа, Rвх, Ом 50 Диапазон входных напряжений НЧ входа, В 0…5 Диапазон входных напряжений ВЧ входа, В 0…1,5 Частота сигнала (нижний диапазон) 1,1 Гц...32 МГц Частота сигнала (верхний диапазон), МГц 0,5...960 Рабочая температура окружающей среды, °С 10…55 Таблица 2. Перечень элементов для усилителя
Рис. 4. Монтажная схема расположения деталей Определение частоты
Алгоритмы вычисления частоты для двух диапазонов различны. При измерении низкочастотных сигналов
R1,R2 = 100 Ом (5%, 0603), R3 = 51 Ом Резисторы (5%, 0603), R4, R6 = 51 Ом (5%, 1206), R5 = 6,2 кОм (5%, 0603) C1, С2, C5, C7, C9 = 0,1 мкФ (50 В, 0603), C3, C4 = 1000 пФ (50 В, 0603), КонденсаC6, C8 = 22 пФ (NPO, 50 В, 0603), торы C10 = ECAPSMD (47/25 В 0605 105C), C11 = ECAPSMD (47/16 В 0605 105C) Диоды VD1 = SM4002, VD2 = BAT54S Резонаторы ZQ1 = KX–327ST 32,768 кГц IC1 = MC12080D, IC2 = MAX962EUA, IC3 = ИС = MC7805CDT D2PAC, IC4 = CY8C27543–24AXI K1 – K3 = SWT–34 (кнопка тактовая), Другое LCD2 = WH1602D–TML–CT, разъемы XS1, XS2 = SMA, XS3 = DJK–02A
за один период входного сигнала подсчитывается количество опорных импульсов высокой частоты. Относительная погрешность измере-
ний определяется отношением x/n, где x — входная частота, а n = 24·10 6 (опорная частота). При измерении высокочастотных сигналов осуществляется подсчет количества периодов входного сигнала за опорный промежуток времени. В этом случае относительная погрешность измерения определяется отношением k/x, где k = 3 (количество обновлений в секунду), а х — входная частота. На рисунке 3 приведен график, на котором по оси X отложена входная частота, а по оси Y — относительная погрешность. Чтобы избавить вас от поиска электронных компонентов, изготовления печатных плат и проведения монтажа, «Мастер Кит» предлагает готовый двухдиапазонный частотомер BM8010. Программное обеспечение для частотомера и обновления можно найти на сайте www.masterkit.ru. Узнать более подробную информацию об устройстве BМ8010 и о магазинах, где его можно приобрести, можно на сайте компании (www.masterkit.ru), а получить техническую консультацию — по электронной почте: infomk@masterkit.ru или тел.: (495) 234-77-66.
электронные компоненты №11 2009
89 п о с л е ра б о т ы
Таблица 1. Технические характеристики частотомера
Новости компании «Мастер Кит» УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОХРАНЫ ЗДОРОВЬЯ Прибор контроля зрения и осанки MT1040
Устройство устанавливается на монитор и следит за расстоянием до лица оператора. При нормальном расстоянии от 35 до 60 см на приборе горит синий индикатор. При приближении лица к монитору синий индикатор сменяется красным, и прибор издает предупредительный звуковой сигнал. Устройство препятствует развитию близорукости и позволяет сохранить правильную осанку при работе с компьютером.
Шагомер с анализатором количества жировой ткани в организме МТ4060
Прибор для измерения количества жировой ткани в организме и анализа физической активности (счетчик шагов, счетчик сожженных калорий, измерение дистанции). Позволяет следить за состоянием своего организма, а также объективно оценить эффективность применения диет или физических упражнений.
БЫТОВЫЕ ПРИБОРЫ
Светодиодные лампы BM6031, BM6032 и BM6033
Новый класс светодиодных ламп, представленный под торговой маркой МАСТЕР КИТ, предназначен для замены 12-В галогенных ламп и ламп накаливания. Это практически «вечные лампочки», мало потребляющие электроэнергию!
ОХРАННЫЕ СИСТЕМЫ Мобильная защита от непрошенных гостей MT8045
Где бы Вы ни были – на природе, в купе поезда, в номере отеля – просто поставьте два компактных беспроводных модуля друг напротив друга и если кто-то пересечет невидимую линию между ними, мгновенно сработает громкий звуковой сигнал.
Электронные весыбезмен MT4020
USB-FM-передатчик BM2080
Брелок-антистатик MT1070
GPS-приемник-трекер MK800
Прибор снимает статическое напряжение с тела человека путем касания до большого металлического объекта. Максимальное время снятия — 0,5 с. Индикация снятия статики в виде изображения улыбки на LCD-экране брелка. Питание не требуется. Звуковой информатор с датчиком движения MT1020
Если записать в память устройства звук длительностью до 10 с, то оно воспроизведет записанное, когда кто-нибудь подойдет к устройству или пройдет мимо него. Например, можно записать напоминание ребенку сделать уроки и, появившись дома, ребенок услышит Ваш строгий наказ из электронных «уст» информатора. Для решения проблемы нерационального потребления электроэнергии поставьте информатор в коридоре и запишите напоминание о необходимости выключить свет, уходя из дома. Прибор не замедлит напомнить Вам об оставленном свете, как только Вы будете выходить из квартиры. Устройство работает
WWW.ELCP.RU
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ СВЕТИЛЬНИКИ
USB-УСТРОЙСТВА
Эти весы, выполненные в виде обычного безмена, показывают вес на небольшом дисплее. Точность измерений 0,01 г, что в несколько раз превышает точность механических весов. Эти весы также дают возможность учитывать в измерении вес тары: взвесьте сначала тару отдельно и при дальнейшем взвешивании в этой таре Вы увидите чистый вес продукта без упаковки.
90
также в режиме звонка, когда вместо записанного звука воспроизводит предустановленный звуковой сигнал.
Подключив этот блок к ПК, Вы сможете по всей квартире наслаждаться музыкальными файлами, записанными на компьютере. Для прослушивания Вам понадобится FM-приемник. Дальность до 20 м.
Устройство предназначено для контроля передвижения людей и автомобилей. Маршрут записывается во внутреннюю память устройства. Далее устройство подключают к компьютеру и наблюдают информацию на экране монитора.
Многофункциональный USBароматизатор MT4040
Это устройство создано для того, чтобы Вы могли расслабиться и отдохнуть. В офисе или дома – просто подключите его к USB-разъему компьютера или электрической сети (либо вставьте батарейки) и наслаждайтесь приятными ароматами, налив в чашу прибора ароматическое масло. Можно слушать любимую музыку, подключив к прибору MP3-плеер или магнитолу, а также наблюдать за приятным мягким светом с переливом цветов. Вопросы и техническая поддержка: Эл. почта: infomk@masterkit.ru, тел.: +7 (495) 234-7766
Карманный усилитель звука Тон Гисбертс (Ton Giesberts), инженер, Elektor
Предлагаемый читателям карманный усилитель состоит из трех одинаковых по размеру схем: усилителя, предусилителя и источника питания. Несмотря на простую схему, устройство обладает сравнительно неплохим качеством звука, имеет регулировку громкости и тембра.
Усилитель
Схема усилителя не является полностью аналоговой, а основана на широтно-импульсной модуляции сигнала (ШИМ). Усилитель относится к классу D и имеет не очень высокое качество звука. Главное преимущество схемы — малый размер и простота. За счет использования ШИМ звуку придается оригинальный металлический оттенок. Принципиальная схема и печатная плата усилителя показаны на рисунках 1 и 4. Важно упомянуть, что транзисторы Т1 и Т2 не должны переключаться одновременно, поскольку сопротивление канала очень мало. Сопротивление канала n-канального транзистора равно 0,25 Ом, а р-канального — 0,5 Ом. На выходе усилителя стоит ФНЧ Баттерворта второго порядка, образованный катушкой L1 и конденсатором C5. Он отсекает частоты выше 40 кГц.
очень качественно усиливает звуковые частоты. Резисторы R1 и R12 в контурах ОС ограничивают выходное напряжение в случае дребезга движка потенциометров Р1 и Р2, соответственно. Коэффициент усиления задается отношением суммарного сопротивления (Р2 + R5) к R4. Конденсаторы С4 и С7 задают диапазоны частот, в которых производится регулировка.
Конденсаторы С2 и С3 отфильтровывают ненужные частоты. Источник питания
Для питания схемы используется симметричный источник. Это позволяет избавиться от громоздких развязывающих конденсаторов. Для обеспечения отрицательного напряжения питания необходимо инвертировать сигнал источника положительного напряжения.
Регулятор громкости и тембра Рис. 1. Принципиальная схема усилителя
91 п о с л е ра б о т ы
Поскольку наша задача — сделать как можно более компактное устройство, то для настройки тембра мы предлагаем использовать предварительный усилитель не с плавной, а с трехступенчатой регулировкой. Для низких и высоких звуковых частот шаг регулировки составляет ±12 дБ, а для средних частот, поскольку уши более чувствительны к этому диапазону, шаг уменьшен до ±9 дБ. Сигнал с выхода предварительного усилителя поступает на вход усилителя (см. рис. 1). Электрическая схема и вид печатной платы предусилителя показаны на рисунках 2 и 5. Потенциометр Р1 используется для регулировки громкости звука. Он подключен ко входу напрямую, чтобы предотвратить перегрузку каскада. С помощью потенциометров Р2, Р3 и Р4 осуществляется регулировка тембра в трех диапазонах частот. Основное звено предусилителя — двухкаскадный усилитель NE5532. В отличие от многих других ОУ, он
Рис. 2. Принципиальная схема предусилителя
электронные компоненты №11 2009
Рис. 3. Принципиальная схема источника питания
Рис. 4. Печатная плата усилителя
Рис. 5. Печатная плата предусилителя
Таблица 1. Перечень элементов для предусилителя
Резисторы
Конден саторы ИС
Рис. 6. Печатная плата источника питания
Таблица 2. Перечень элементов для источника питания
R1 = 220 кОм, R2 = 3,3 кОм, R3 = 10 кОм, R4, R5 = 2,2 кОм, R6 = 15 кОм, R7, R8 = 1,5 кОм, R9 = 4,7 кОм, R10, R11 = 1 кОм, R12 = 1 МОм, R13 = 100 Ом. Р1 = 10 кОм (логарифмический потенциометр), Р2, Р3, Р4 = 10 кОм (линейный потенциометр) C1, C8 = 68 пФ (керам.), C2 = 180 нФ, C3 = 4,7 нФ, C4, C5, C6 = 27 нФ, C7 = 6,8 нФ, C9, C10 = 100 нФ. Шаг выводов 5 мм, тип МКТ, если не указано другое IC1 = NE5532 (DIP-8)
Резисторы R1, R2 = 100 кОм, R3, R4 = 1 кОм Конден саторы
C1, C5, C6, С11, С12 = 100 нФ (керамический, шаг 5 мм), С2 = 100 пФ (шаг 5 мм), С3, С4, С9, С10 = 10 мкФ (63 В, электролитический, с радиальными выводами с шагом 2,5 мм), С7, С8 = 4,7 мкФ (63 В, электролитический, с радиальными выводами с шагом 5 мм)
Индуктив ности
L1 = 10 мкГн, L2 = 1 мГн (осевые, с вертикальной установкой)
ИС
IC1 = TLC555 (DIP-8), IC2, IC3 = ICL7662CPA+ (Maxim, DIP-8)
Таблица 3. Перечень элементов для усилителя
п о с л е ра б о т ы
92
Резисторы
R1 = 470 кОм, R2 = 10 кОм, R3 = 12 кОм, R4, R5 = 220 Ом, R6 = 8,2 Ом
Конденсаторы
C1 = 10 мкФ (63 В, с радиальными выводами, макс. диам. 6 мм), C2 = 100 нФ (керамический, шаг 5 мм), C3 = 100μF (40 В, с радиальными выводами с шагом 2,5 мм, макс. диам. 8 мм), C4 = 270 пФ (керамический, шаг 5 мм), C5 = 330 нФ (MKT, шаг 7,5 мм), C6 = 220 нФ (MKT, шаг 7,5 мм), C7 = 1000 мкФ (25 В, с радиальными выводами с шагом 5 мм, макс. диам. 10 мм)
Индуктивности L1 = 40 мкГн (осевая, с вертикальной установкой, 2 А) Остальные
D1, D2 = BAT85, T1 = IRFU9120NPBF, T2 = IRLU120NPBF, IC1 = 4050 S1 = замыкающий контакт, мин. 1 A
Принципиальная схема источника питания приведена на рисунке 3. Выбранный преобразователь напряжения требует всего два внешних конденсатора, однако у него есть недостаток — нерегулируемое выходное напряжение. Для повышения стабильности будем использовать две схемы, включенные
www.elcp.ru
параллельно. Расположение элементов на печатной плате показано на рисунке 6. Сборка
Для большей компактности платы помещаются в корпус с направляющими. При расположении плат следует соблюдать следующий порядок:
внизу — источник питания, далее регулятор тембра и усилитель звука. Более подробную информацию о комплекте можно найти на сайте Elektor по адресу www.elektor.com. По вопросам приобретения образцов или сотрудничества с Elektor обращайтесь к Антону Денисову: anton@elcp.ru, тел.: 741-77-01.
Новые компоненты на российском рынке АЦП/ЦАП
Новая микросхема аналогового интерфейса для измерений повышенной точности от Microchip
Компания Microchip анонсировала новое поколение микросхем аналоговых интерфейсов для высокоточных измерений. MCP3901 — это новый высокоточный сдвоенный 16/24-битовый сигмадельта АЦП с отношением сигнал/шум и SINAD до 91 дБ. Микросхема содержит встроенный усилитель с программируемым коэффициентом усиления (PGA), источник опорного напряжения (ИОН), корректор фазы (phasedelay compensation) и выходной модулятор, обеспечивающий более точное измерение, чем конкурирующие решения. Высокая скорость измерения (до 64 Квыб./с), наличие популярного SPI-интерфейса и другие особенности MCP3901 позволяют с успехом использовать микросхему для различного рода измерительных задач как в одно-, так и многофазных сетях. Встроенный PGA и ИОН увеличивают возможности MCP3901 в области измерения очень слабых сигналов и обеспечивают минимум внешних компонентов, позволяя создать миниатюрное и дешевое решение. Блок коррекции фазы позволяет MCP3901 компенсировать разницу в фазах для измерений в трехфазных цепях, а SPI-интерфейс обеспечивает простое и надежное соединение с микроконтроллером. Компания Microchip предлагает демонстрационную плату MCP3901 Evaluation Board (MCP3901EV-MCU16), которая позволит провести ряд тестов с микросхемой MCP3901. Плата имеет последовательный интерфейс для связи с ПК. Наглядный пользовательский интерфейс ПК-приложения позволяет оценить такие параметры как SINAD, эффективное количество бит при измерении (ENOB), суммарное значение коэффициента нелинейных искажений (THD), отношение сигнал/шум (SNR). Микросхемы MCP3901 доступны в 20-выводном SSOPкорпусе.
моздкими и дорогими. Однокристальные решения приобретают все большую популярность, т.к. занимают минимальное место на печатной плате и не требуют большого опыта в разработке подобных схем. Малое потребление MCP9804 реализуется благодаря программному включению энерго сберегающего режима, пробуждению микросхемы при выходе температуры за заданные пределы и достижению критичной температуры. Датчик температуры MCP9804 пополнил семейство датчиков температуры от Microchip и предоставил разработчикам большую гибкость при проектировании, обеспечивая большую точность при меньших габаритах и стоимости. К примерам применения MCP9804 можно отнести холодильники, где требуется высокая точность определения температуры в диапазоне –20…45°C, персональные компьютеры, где необходима высокая точность измерения температуры около 85°C и автомобильные датчики температуры двигателя, требующие высокой точности измерения температуры в диапазоне до 125°C. Microchip Technology www.microchip.com
Дополнительная информация: см. Microchip Technology
МИКРОСХЕМЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ Микросхема LNK626 компании Power Integrations в новом корпусе SO-8
Компания Power Integrations — мировой лидер в производстве высоковольтных аналоговых микросхем для построения импульсных преобразователей — анонсировала, что теперь микросхема LNK626 доступна в новом компактном корпусе SO-8. Обозначением такого корпуса является буква D в конце обозначения компонента. Используя LNK626D, можно строить более компактные преобразователи мощностью до 8,5 Вт. Power Integrations Inc. www.powerint.com
Дополнительная информация: см. «Макро Групп», ЗАО
Microchip Technology www.microchip.com
Дополнительная информация: см. Microchip Technology
МК И DSP
ДАТЧИКИ
Новые семейства 16-разрядных микроконтроллеров от NEC Electronics
Датчик температуры повышенной точности с низким энергопотреблением от Microchip
Компания NEC Electronics представила новые семейства микроконтроллеров: 78K0R/Ix3 — для управления двигателями и 78K0R/Lx3 — для измерительной техники.
Компания Microchip анонсировала температурный датчик MCP9804. Датчик обеспечивает типичное значение точности измерений 0,25°C и ±1°C в диапазоне температур –40…125°C при потреблении тока в статическом режиме 200 мкA (тип.). Датчики доступны в миниатюрных 8-выводных корпусах MSOP и DFN (2×3 мм), а интерфейс I2C позволяет минимизировать место на печатной плате и обеспечить максимальный срок службы батареи. Многие решения для измерения температуры требуют использования множества элементов, что делает их гро-
электронные компоненты №11 2009
93
Особенность семейства 78K0R/Ix3 — специально сконфигурированный набор периферийных устройств, оптимально отвечающий задачам управления двигателями: – регистр 12- и 16-разрядных таймеров с частотой тактирования до 40 МГц, которые можно аппаратно объединить для формирования многофазных сигналов управления обмотками двигателей; – операционный усилитель с программируемым коэффициентом усиления и два канала компаратора с «трехстабильным» выходом. Эти узлы позволяют сократить требуемый набор внешних компонентов обвязки и значительно снизить стоимость схемы управления различными видами двигателей. Для отладки программы предлагается полнофункциональный оценочный комплект 78K0RIX3-SPINIT (в состав входит бесщеточный двигатель постоянного тока BLDCM), мезонинная плата MC-CPU-78K0RIE3 для полнофункционального универсального отладочного комплекта и недорогая тестовая плата QB-78K0RIE3-TB. Особенностями семейства 78K0R/Lx3 являются: – драйвер ЖКИ; – быстрый 12-разрядный АЦП последовательного приближения; – два канала 12-разрядного ЦАП; – до 3-каналов встроенных операционных усилителей. В качестве средств отладки предлагается оценочный комплект 78K0RLX3-SENSE IT и недорогая тестовая плата QB-78K0RLH3-TB. NEC Electronics www.necel.com
Дополнительная информация: см. «Элтех», ЗАО
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
Анализатор спектра с расширенным до 20 ГГц диапазоном частот от Tektronix
94
Компания Tektronix, Inc. объявила о выпуске анализатора спектра RSA6120A из серии RSA6000. Новый анализатор спектра обладает всеми выдающимися характеристиками приборов данной серии и отличается от них расширенным диапазоном частот до 20 ГГц, что позволяет разработчикам радиочастотного оборудования осуществлять высококачественный анализ спектра во всем диапазоне частот спутниковой связи (Ku-диапазоне). Разработчикам цифровой радиочастотной аппаратуры требуется анализатор, подобный приборам серии RSA6000, обладающий лучшим в отрасли сочетанием динамического диапазона и подавлением помех по зеркальному каналу в очень широкой полосе. Анализаторы серии RSA6000 предназначены для разработки и измерения параметров систем радиолокации и РЭБ, а также электронных компонентов в диапазонах X (8…12 ГГц) и Ku (12…18 ГГц). Для решения данных задач разработчики могут использовать анализатор спектра RSA6120A в режиме автоматических измерений. RSA6120A обладает широким динамическим диапазоном 75 дБ во всем Ku-диапазоне. Точка пересечения по интермодуляционным составляющим 3-го порядка: 19 дБм на частоте выше 6 ГГц. Преселективный переключаемый входной фильтр обеспечивает наименьшую в отрасли неравномерность АЧХ и ФЧХ в канале. Например, в полосе 100 МГц неравномерность по амплитуде составляет ±0,7 дБ (ср. кв.), а по фазе ±1,5° (ср. кв.). Столь высокие показатели, позволяющие измерять сигналы без искажений, обеспечиваются усовершенствованной процедурой векторной калибровки анализаторов спектра RSA6120A. Кроме того, RSA6120A предоставляет разработчикам РЛС мощные средства анализа, включая снятие импульсной характеристики и еще 26 функций автоматического измере-
WWW.ELCP.RU
ния импульсных параметров, статистическое наблюдение и воспроизведение формы ранее зарегистрированных сигналов. Tektronix, Inc www.tektronix.com
Дополнительная информация: см. Tektronix, Inc
Прецизионные настольные цифровые мультиметры для сложных измерений от Tektronix
Компания Tektronix, Inc. представила серию цифровых мультиметров DMM4000 с разрешением 5,5 и 6,5 разрядов, которые помогут инженерам в отладке сложных электронных устройств и облегчат проверку разрабатываемых схем, благодаря повышенной точности измерений и обширным аналитическим возможностям. Новая серия цифровых мультиметров обеспечивает гибкость и точность, необходимую инженерам для выполнения наиболее ответственных измерений. Линейка приборов состоит из одной модели с разрешением 5,5 разрядов и двух моделей с разрешением 6,5 разрядов, которые обладают всеми измерительными функциями цифровых мультиметров, включая измерение напряжения, тока, частоты, периода, проводимости диодов, емкости, сопротивления и температуры. Специальные кнопки на передней панели обеспечивают быстрый доступ к часто используемым функциям и параметрам, сокращая время настройки. Мультиметры DMM4040 и DMM4050 дополнительно упрощают работу благодаря расположенному на передней панели порту USB, облегчая регистрацию данных и сохранение настроек прибора. Для углубленного анализа мультиметры DMM4040 и DMM4050 с разрешением 6,5 разрядов оборудованы графическим дисплеем, на который выводятся гистограммы, тренды и функции статистического анализа. Все модели, включая 5,5-разрядный DMM4020, имеют трехлетнюю ограниченную гарантию и поставляются с ограниченной версией ПО компании National Instruments LabVIEW SignalExpress Tektronix Edition. Программное обеспечение NI LabVIEW SignalExpress позволяет подключать настольные приборы компании Tektronix и управлять ими через порт USB или другие шины. Tektronix DMM4050 может измерять напряжение с разрешением до 100 нВ с точностью 0,0024%. Все модели могут выполнять прецизионные измерения сопротивления по 4-проводной схеме через патентованный тестовый комплект с одним кабелем, позволяющий избежать ошибок, свойственных комплектам с двумя кабелями. Tektronix, Inc www.tektronix.com
Дополнительная информация: см. Tektronix, Inc
Компания Tektronix добавила русский интерфейс в популярные осциллографы TDS1000B и TDS2000B
Компания Tektronix, Inc. объявила о выходе новой версии микропрограммного обеспечения для популярной серии цифровых запоминающих осциллографов TDS1000B и TDS2000B с поддержкой русского языка. Новый интерфейс (версия микропрограммного обеспече-
ния V22.11 RUS) позволит российским инженерам быстрее и эффективнее проверять и отлаживать разрабатываемые схемы, а также облегчит обучение студентов основам практических измерений с помощью осциллографов TDS1000B и TDS2000B. Помимо этого, новое микропрограммное обеспечение обеспечивает улучшенную поддержку флэшнакопителей (максимальная емкость увеличена до 64 Гбайт) и позволяет определять среднеквадратические величины по всем записанным значениям. Осциллографы серии TDS1000B и TDS2000B 2- и 4-канальные с полосой пропускания до 200 МГц, максимальной частотой дискретизации 2 Гвыб./с и портами USB для подключения флэш-накопителей или других приборов предлагают беспрецедентные возможности и позволяют упростить настройку, тестирование и документирование как для разработчиков, так и для производителей оборудования. Цена осциллографов TDS1000B и TDS2000B отвечает требованиям ограниченного бюджета пользователей, занятых в самых разных сферах деятельности, включая проектирование и отладку встраиваемых систем, обучение, ремонт электронных устройств и автоматизированное производственное тестирование. USB-порт на передней панели осциллографов позволяет с удобством, прямо на рабочем месте, пользоваться флэшнакопителями для сохранения осциллограмм, снимков экрана и настроек прибора. В лабораторных условиях простое подключение осциллографа к компьютеру с помощью USB-порта на задней панели и возможность применения двух лучших в своем классе коммуникационных программ (коммуникационное ПО OpenChoice компании Tektronix и интерактивное измерительное ПО NI LabVIEW SignalExpressTM TE) упрощает регистрацию, анализ и обмен результатами измерений. Tektronix, Inc www.tektronix.com
Дополнительная информация: см. Tektronix, Inc.
ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
Открытые источники питания для светодиодных систем от Mean Well
Расширяя линию источников питания для светодиодных систем, компания Mean Well представляет новую серию недорогих встраиваемых AC/ DC-преобразователей на открытой печатной плате — PLP-45. Источники питания этой серии имеют широкий диапазон входного напряжения 90…264 В AC и активный корректор коэффициента мощности (более 0,9 при нагрузке более 75%). Они соответствуют стандарту EN61000-3-2 Класс С по гармоническим помехам во входной цепи, что позволяет использовать источники питания как в промышленных, так и в бытовых устройствах. КПД источников питания серии PLP-45 доходит до 89%. Полная мощность при естественной конвекции достигается при окружающей температуре –30…60°С (снижение мощности до 50% от номинальной в диапазоне 60…70°С). Источники питания имеют возможность подстройки порога ограничения выходного тока в пределах 75—100% от номинального подстроечным резистором. Источники питания серии PLP-45 выполнены на открытой печатной плате стандарта 4×2 дюйма (101,6×50,8 мм). Источники питания серии PLP-45 предназначены для применения в LED-светильниках, монтируемых в помещениях, системах декоративной подсветки, LED-дисплеях и т.д. Источники питания имеют защиту от короткого замыкания и перегрузки на выходе, а также превышения выходного напряжения. Источники питания серии PLP-45 соответствуют международным стандартам:
– TÜV EN61347-1, EN61347-2-13, UL60950-1 (по электробезопасности); – EN55015, EN61000-3-2 Класс С, EN61000-3-3 (по уровню электромагнитных излучений); – EN61000-4-2,3,4,5,6,8,11; ENV50204, EN55024, EN61547 (по устойчивости к воздействию электромагнитных помех). Mean Well www.meanwell.com
Дополнительная информация: см. «Элтех», ЗАО
СВЕТОТЕХНИКА И ОПТОЭЛЕКТРОНИКА Новые мощные светодиоды для систем освещения от Osram Opto Semiconductors
Компания Osram Opto Semiconductors представила образцы мощных одноваттных светодиодов серии Golden Dragon Oval Plus с первичной овальной линзой от производителя. Светодиоды выпускаются в теплом нейтральном и холодном белом цветах свечения с максимальным световым потоком 130 лм при токе 350 мА. В отличие от предыдущих светодиодов серии Golden Dragon с овальной линзой, светодиоды новой серии могут монтироваться на плату методом оплавления, что позволяет сократить трудозатраты на пайку светодиода, а также исключить из процесса монтажа установку вторичной оптики. Основные параметры: – мощность 1 Вт; – номинальный ток 350 мА; – максимальный рабочий ток 1000 мА; – номинальный световой поток: от 100 лм (350 мА) до 225 лм (1000 мА); – материал линзы: силикон; – тип диаграммы: овальная (1200×700). Применение: – уличное освещение: дорожное, туннельное, парковки, пешеходные дорожки, автозаправки; – внутреннее освещение: офисы, торговые площадки, декоративная подсветка. Основные параметры светодиодов приведены в таблице. Бин яркости KY KZ LX
Световой поток, лм Мин. 82,0 97,0 112,0
Макс. 97,0 112,0 130,0
Osram Opto Semiconductors www.osram-os.com
Дополнительная информация: см. «Макро Групп», ЗАО
Вторичная оптика IdeaLED для светодиодных модулей Zenigata от Sharp
Компания «Макро Групп» объявляет о начале поставок вторичной оптики для светодиодных модулей Sharp серии Zenigata. Линза совместима с модулями Zenigata мощностью 3,6 и 6,7 Вт и формирует круговую диаграмму «среднего» или «широкого» типов. Освещенность Освещенность Коэффи без линзы на с линзой на циент Условия тестиро расстоянии расстоянии преобра вания 1 м, лк 1 м, лк зования LNT/LKM0/SZN/D35 Ток — 350 мА; уро275 421 1,53 (средний угол) вень дополнительной освещенности в помещении — 0 лк; температура LNT/LKW0/SZN/D35 окружающей 275 227 0,83 (широкий угол) среды — 19˚С; светодиод GW5BWC15L02 Тип линзы
электронные компоненты №11 2009
95
Основные параметры: – диаметр 35,5 мм; – высота 19,83 мм; – эффективность более 85%; – материал линзы: акрил, поликарбонат; – рабочая температура –40…80˚С, –40…100˚С. Применение: – потолочные точечные светильники; – прожектор; – локальное освещение; – уличное освещение. Sharp Microelectronics www.sharpsme.com
Дополнительная информация: см. «Макро Групп», ЗАО
Отличительные особенности микросхем: – однополярное питание 5 В; – высокая степень линейности на уровне 34 дБм Вт; – два параллельных усилительных каскада в едином корпусе, облегчающих использование балансной схемы усиления Push-Pull; – возможность применения в составе предусилителей и линейных усилителей в составе передающего ТВ-оборудования; – исполнение в недорогих корпусах SOIC-8. RF Microdevices www.rfmd.com
Дополнительная информация: см. «Макро Групп», ЗАО
Microchip Technology Тел.: (812) 325-5115 sale@gamma.spb.ru www.microchip.com
СВЧ
Новые монолитные усилители для CATV-применений от RF Microdevices
Компания RF Microdevices — производитель радиочастотных и микроволновых компонентов — объявила о выпуске новых устройств для применения в составе оборудования CATV. Это усилители CGA-1518Z и CGA-7718Z, выполненные по технологии InGaP HBT. Микросхемы развивают серию CGA и отличаются от предшественников и конкурентных решений RF Microdevices более высокой линейностью. CGA-7718Z отличается от CGA-1518Z, в свою очередь, большим коэффициентом усиления (17,4 против 15 дБ) и более высоким уровнем мощности на уровне 1 дБ компрессии (23 против 20 дБм). Обе микросхемы обеспечивают усиление сигнала в диапазоне частот 50…1000 МГц с неравномерностью усиления всего ±0,6 дБ.
Tektronix, Inc. 109004, Москва, Б. Дровяной пер., д. 6, 4 этаж Тел.: (495) 748-49-00, (495) 748-49-02 diana.kruchenok@tektronix.com www.tek.com/ru «Макро Групп», ЗАО 196105, С.-Петербург, ул. Свеаборгская, 12 Тел.: (812) 370-6070 Факс: (812) 370-5030 sales@macrogroup.ru, support@macrogroup.ru www.macrogroup.ru «Элтех», ООО 198035, С.-Петербург, ул. Двинская, 10, к. 6А Тел.: (812) 635-50-60 Факс: (812) 635-50-70 info@eltech.spb.ru www.eltech.spb.ru
События рынка
96
| 65-ЛЕТНИЙ ЮБИЛЕЙ ООО «ЛПО «ЭЛЕКТРОАППАРАТ» | 25 сентября 2009 г. ООО «ЛПО «Электроаппарат» ВОС» отпраздновало свой 65-летний юбилей. На протяжении уже почти четырех лет это предприятие является неизменным партнером ООО «Совтест АТЕ» по внедрению технологий обработки провода в производство. Поздравила юбиляра и компания ООО «Совтест АТЕ», поблагодарив руководство предприятия и его персонал за годы плодотворной совместной работы. В ответ В.А. Плаксин, Генеральный директор предприятия, выразил благодарность ООО «Совтест АТЕ» за оказанную поддержку в трудные кризисные времена, когда становится четкой грань между настоящими партнерами, с которыми можно смело смотреть в будущее, и теми, для кого важнее прибыль от разовых проектов. Юбилей предприятия явился хорошим поводом, чтобы отметить наградами наиболее отличившихся его сотрудников. Ввиду того, что основная часть персонала — это люди с ограниченными физическими возможностями, в благодарность за возможность быть полезными предприятию и обществу в целом они полностью отдаются своему делу, несут максимальную ответственность за результаты своей работы. Совместный труд с такими людьми всегда приятен. В адрес юбиляра прозвучало много замечательных тостов и пожеланий как от присутствующих гостей, так и от людей, непосредственно работающих на ООО «ЛПО» Электроаппарат». Уже в неофициальной обстановке директор еще раз поблагодарил ООО «Совтест АТЕ», в частности, за возможность отсрочки платежей по договорам, когда предприятие достигло критического состояния в конце 2008 г. На сегодняшний день предприятие ООО «ЛПО» Электроаппарат» занимает лидирующее положение среди российских производителей сетевых шнуров питания. Предприятие успешно сотрудничает с изготовителями сложной бытовой техники по производству внутренней электропроводки и различных комплектующих. Продукция ООО «ЛПО «Электроаппарат» удовлетворяет потребностям заказчиков по качеству, надежности, безопасности и отвечает требованиям международных стандартов. Коллектив ООО «Совтест АТЕ» еще раз сердечно поздравляет ООО «ЛПО «Электроаппарат» с юбилеем и желает дальнейших успехов и процветания! www.sovtest.ru
WWW.ELCP.RU