ЭК2 2011

содержание

№2/2011 6 «Синтез-Микроэлектроника» о кнутах и пряниках российского рынка

РАЗРАБОТКА И КОНСТРУИРОВАНИЕ 12 Назначение экранированных кабелей

МИКРОСХЕМЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 15 Роберт Марчетти Архитектуры распределенного электропитания 20 Пауль Кнаубер Как правильно выбрать DC/DC-преобразователь 23 Дирк Герке и Джефф Шерман POL-преобразователь: один на всех

27 Михаэль Вайрих Обратноходовой преобразователь для светодиодного освещения с регулировкой яркости на базе триака 32 Ирина Ромадина LDO-стабилизаторы напряжения ON Semi. Выбор и применение 37 Джефф Перри Выбор наилучшего DC/DC-преобразователя

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ 42 Фрэнк Кэсел Выбор топологии преобразователя 48 Слободан Кук Безмостовой ККМ-преобразователь с КПД выше 98% и коэффициентом мощности 0,999. Часть 3

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; 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 тел.: (495) 741-7701; факс: (495) 741-7702; эл. почта: info@elcp.ru, www.elcp.ru ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА: Мир электроники (Самара): 443080, г. Самара, ул. Революционная, 70, литер 1; тел./факс: (846) 267-3139, 267-3140; е-mail: info@eworld.ru, www.eworld.ru. Радиоэлектроника: 620107, г. Екатеринбург, ул. Гражданская, д. 2, тел./факс: (343) 370-33-84, 370-21-69, 370-19-99; е-mail: info@radioel.ru, www.radioel.ru. ЭЛКОМ (Ижевск): г. Ижевск, ул. Ленина, 38, офис 16, тел./факс: (3412) 78-27-52, е-mail: office@elcom.udmlink.ru, www.elcompany.ru. ЭЛКОТЕЛ (Новосибирск): г. Новосибирск, м/р-н Горский, 61; тел./факс: (3832) 51-56-99, 59-93-31; е-mail: info@elcotel.ru, www.elcotel.ru. Издательство «Электроника инфо» (Минск): 220015, г. Минск, прз. Пушкина, 29 Б; тел./факс: +375 (17) 251-6735; е-mail: electro@bek.open.by, electronica.nsys.by.

IMRAD (Киев): 03113, г. Киев, ул. Шутова, д. 9, оф. 211; тел./факс: +380 (44) 495-2113, 495-2110, 495-2109; е-mail: imrad@tex.kiev.ua, www.imrad.kiev.ua Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory». Использование материалов возможно только с согласия 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 15.03.2011 г. Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 3000 экз. Изготовлено ООО «Стратим». 152919, г. Рыбинск, Ярославская обл., ул. Волочаевская, д. 13.

Электронные компоненты

www. elcp.ru

МУЛЬТИМЕДИА И ТЕЛЕКОМ 58 Владимир Цымбал, Сергей Гриневский, Андрей Листопадов, Виталий Гришков, Анастасия Дуло Серия интегральных микросхем видеопроцессоров для ЖК-телевизоров

АНАЛОГОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ 62 Брайан Блэк Усилители датчиков тока для разных приложений СОДЕРЖАНИЕ

4

ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ 66 Джон Хэнкок Ключевые моменты при выборе Super-Junction MOSFET 73 Максим Соломатин Силовые MOSFET: расширяем возможности

WWW.ELCOMDESIGN.RU

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ И DSP 79 Владимир Егоров Коммуникационные системы на кристалле MARVELL 86 Алексис Элкотт Применение 8-разрядных МК 88 Джозеф Ю Переход с 8051-архитектуры на 32-разрядные процессоры

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА И СИСТЕМЫ 94 Революционная платформа осциллографов LeCroy 6 Zi

96 НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ НА РОССИЙСКОМ

РЫНКЕ

contents # 2 / 2 0 1 1

E LEC TRO N I C COM PO N E NT S #2 2011 MARKET 6 Stick and Carrot Policy for the Russian Market.

Interview with Syntez-Microelectronica

ANALOG 62 Brian Black Current Sense Amplifiers Evolve to Meet a Wide Range of Application Needs

DESIGN AND DEVELOPMENT

POWER ICs 15 Robert Marchetti Power Distribution Architectures 20 Paul Knauber Make the Right Designer Decisions in Choosing DC-DC Converters 23 Dirk Gehrke and Jeff Sherman Point-of-Load: One for All Power Solutions

DISCRETE AND POWER COMPONENTS 66 Jon HANCOCK Applications Key in Selecting Super-Junction MOSFETs 73 Maxim Solomatin Power MOSFET Extend Capabilities

MCU AND DSP 79 Vladimir Egorov Communication Systems Based on MARVELL’s Chip

27 Michael Weirich Triac Dimmable Primary Side Regulated Flyback

86 Alexis Alcott 8-Bit Microcontrollers: Sophisticated Solutions for Simple Applications

32 Irina Romadina Selecting LDO Voltage Regulators from ON Semi

88 Joseph Yiu Migrating from 8-, 16- to 32bit Microcontrollers

37 Jeff Perry Scoping Out the Best DC-DC Converter Design

POWER SUPPLIES 42 Frank Cathell Power Supply Topology Selection – It’s Not Just About Power

5

TEST AND MEASUREMENT 94 Revolutionary Platform for LeCroy 6 Zi Oscillographs

96 NEW COMPONENTS IN THE RUSSIAN

MARKET

48 Slobodan Cuk Modeling, Analysis and Design of Switching Converters

MULTIMEDIA AND TELECOM 58 Vladimir Tsymbal, Sergey Grinevsy, Andrey Listopadov, Vitaly Grishkov and Anastasiya Dulo Video Signal Processor IC Series for LCD TV

Электронные компоненты №2 2011

СОДЕРЖАНИЕ

12 Understanding Shielded Cable

«СИНТЕЗ-МИКРОЭЛЕКТРОНИКА» О КНУТАХ И ПРЯНИКАХ РОССИЙСКОГО РЫНКА С генеральным директором компании «Синтез-Микроэлектроника» Дмитрием Боднарем мы познакомились на нашей конференции «Силовая электроника». Тогда подумалось: «Ещё одна, скорее всего, безуспешная попытка стать посредником между российским разработчиком и зарубежным производителем». И вот прошло два года, мир оправляется от кризиса, кажется, миновал он и в России. Из новичка на российском рынке «Синтез-Микроэлектроника» превратилась в лидера, доказав, что для успеха нужны не только миллиардные инвестиции, но и иные качества, прежде всего, профессионализм и желание работать. Этими качествами в полной мере наделен и Дмитрий Боднарь — антикризисный менеджер, кандидат технических наук, автор около 50 изобретений и патентов, разработчик десятков полупроводниковых приборов и микросхем. Конечно, один в поле не воин, и без квалифицированных сотрудников невозможна успешная деятельность компании, но, согласитесь, что и без лидера успех достигается нечасто.

РЫНОК

6

— Дмитрий Михайлович, с момента нашей последней встречи прошло два года. Расскажите, пожалуйста, какие перемены произошли в компании.

— За это время изменился статус нашей компании. Хотя кризис — не самое подходящее время для развития, однако мы, как и планировали, не потерялись в бизнесе микроэлектроники. Мы расширили клиентскую базу среди российских и зарубежных предприятий. Наши технологические возможности возросли за счёт проектных норм 65 нм и нового направления СВЧ GaAs-, GaN-интегральных микросхем (ИС) с проектными нормами до 0,15 мкм. В 2010 г. мы увеличили оборот на 60% в сравнении с 2009 г. Средний оборот на одного работающего в 2010 г. составил около 5 млн. руб. В 2011 г. мы планируем улучшить эти показатели на 30%. Мы включились в новое направление 3D-сборки. В технологии проектирования и изготовления чипов в России уже используются возможности субмикронных процессов, однако в области 3D-сборок специалисты только присматриваются к большому потенциалу этой технологии. И в то время как за рубежом развивается уже третья генерация 3D-сборок, в России нет ни одного даже опытного производства. Сейчас мы ведём переговоры с зарубежными компаниями о поставке в Россию линии 3D-сборок. Но вместе с тем мы оказываем услуги по размещению разработки и созданию прототипов 3D ИС за рубежом.

WWW.ELCOMDESIGN.RU

В области материалов для микроэлектроники мы организовали разработку и производство трёх новых многовыводных металлокерамических корпусов. Для расширения наших возможностей мы заключили дистрибьюторское соглашение с HSRI — одним из ведущих полупроводниковых научноисследовательских институтов в КНР. Теперь у нас есть возможность предлагать российским клиентам широкий выбор корпусов, СВЧ ИС и модулей, оптоэлектроники, датчиков MEMS различных типов, разработанных и изготовленных HSRI. Наша компания осуществляет экспортные поставки СВЧ-транзисторов в США, причём несколько новых типов СВЧ-транзисторов разработаны и экспортируются специально по заказу американских клиентов. В области транспортной логистики с помощью российских и зарубежных перевозчиков мы оптимизировали маршруты доставки товара из-за рубежа, позволившие снизить издержки. При этом мы используем только легальные способы доставки. А ведь любой, кто работал в сфере импортно-экспортной деятельности в России, знает, как сложно соответствовать постоянно меняющимся российским правилам валютных, таможенных, технических ограничений…

— Каковы основные направления деятельности компании? Можно ли назвать «Синтез-Микроэлектронику» фаблесс-компанией?

— В числе основных направлений деятельности компании нужно назвать: – проектирование ИС и полупроводниковых приборов; – услуги зарубежных кремниевых фабрик для технологий Bipolar, CMOS, BiCMOS, BCD с проектным нормами до 65 нм; – услуги зарубежных фабрик RF MMIC GaAs, GaN (до 80 ГГц) с проектными нормами до 0,15 мкм; – услуги зарубежной сборки ИС и полупроводниковых приборов для всех типов корпусов; – поставка импортных материалов, комплектующих, оборудования для предприятий микроэлектроники; – экспорт конкурентоспособных продуктов микроэлектроники. Я бы сказал, что мы предлагаем комплексные услуги «5 в 1» для микроэлектроники. Поэтому нельзя назвать нашу компанию фаблесс-компанией в чистом виде.

— Как нам кажется, «СинтезМикроэлектроника» — уникальная компания на российском рынке, или всё-таки у неё есть конкуренты? Даже на мировом рынке не сразу вспомнишь, кто ещё предлагает подобный спектр услуг. Может быть, Вы назовёте примеры?

— По совокупности направлений деятельности среди российских и зарубежных компаний аналогичной нашей, действительно, нет. По некоторым позициям нам близок «Миландр», с которым у нас хорошие контакты. Мы стараемся работать в слабо освоенных областях и под конкретные задачи

— Вы занимаетесь и производством, и разработкой, и дистрибуцией компонентов. Насколько независимы эти виды деятельности? Есть ли приоритетные направления, или всем уделяется одинаковое внимание?

— Сегодня у нас два приоритета деятельности: услуги wafer foundry и сборки, поскольку именно в этих областях Россия очень отстаёт от мирового уровня. Именно в этих областях у нас имеется сеть зарубежных контактов. Но ситуация в микроэлектронике может меняться, и вместе с ней готовы измениться и мы. В последние полгода мы усилили работу по направлению СВЧэлектроники, где Россия конкурентоспособна в некоторых типах продуктов. Повторюсь, что мы пытаемся улучшить технологические возможности наших предприятий за счёт применения новых субмикронных технологий GaAs, GaN. — Расскажите, пожалуйста, о новых продуктах компании.

— В прошлом году совместно с некоторыми нашими партнерами мы начали выводить на российский и экспортный рынки четыре новых типа СВЧ MOSFET и микросхемы маломощных линейных регуляторов напряжения и DC/ DC-преобразователей. Причем, микросхемы будут изготавливаться на основе международной кооперации: изготовление чипов на европейской фабрике, а сборка в современные корпуса — в Юго-Восточной Азии. Основная область применения — портативная аппаратура с низким энергопотреблением. В 2011 г. планируется проект с одним из наших партнеров по созданию двух-

чиповой микросхемы по технологии сборки 3D Stack Die. — Насколько трудоёмок процесс работы с зарубежными кремниевыми фаундри-производителями? Кто разрабатывает конструкторскую и технологическую документацию? Если можно, приведите примеры реализованных проектов.

— Финансовый кризис способствовал ускорению тенденции, которая началась 5—6 лет назад. Тогда многие компании начали сворачивать собственное производство чипов и размещать его на специализированных кремниевых фабриках. Учитывая резко возросшую стоимость кремниевых фабрик для обработки пластин диаметром 12 дюймов с проектными нормами менее 32…65 нм, очень немногие компании (Intel, Samsung) подтвердили, что они продолжают развивать собственное производство чипов такой сложности. Большинство производителей ориентируется на специализированные фабрики (TSMC, UМС и т.д.), которые способны финансово и технически поддерживать текущее и перспективное производство чипов. По мере снижения проектных норм эта тенденция будет усиливаться, особенно для микросхем памяти и микроконтроллеров. Однако это вовсе не означает, что другие кремниевые фабрики останутся без работы. Еще многие десятилетия будет востребованным производство чипов с проектными нормами до и более 1 мкм в тех отраслях промышленности, где эти нормы не являются определяющими (бытовая техника, промышленная электроника и др.). Мировое разделение труда по сегментам «разработка», «производство кристаллов», «сборка» сохраняется. Если наша микроэлектроника не умрёт, то она тоже будет развиваться по этому сценарию. А, значит, потребность в наших услугах будет увеличиваться. Мы и сейчас это ощущаем, особенно в сложных 90-нм CMOS, BCD- и GaAsтехнологиях. Серьёзное преимущество такой работы в том, что разработчику продукта не требуется создавать технологию изготовления чипов и сборки. Она подробно и профессионально подготовлена специализированными компаниями. Нам необходимо только грамотно воспользоваться их материалами и разработать документацию на законченное изделие. Если проектирование выполнено корректно, то весь цикл от начала разработки сложного продукта до завершения сборки потребует 4—5 мес. Ранее на это требовалось 15—18 мес. Работать с зарубежными фабриками непросто,

особенно с европейскими и американскими, но они ценят профессионализм и ответственность. Приходится соответствовать. Сейчас мы взаимодействуем с крупными, средними и небольшими предприятиями полупроводниковой, радиоэлектронной, автомобильной отраслей, работаем с дизайн-центрами. Большие надежды мы связываем с инвестиционным проектом по организации сборочного производства интегральных микросхем в Воронеже, над которым работаем совместно с нашим американским партнером. Сейчас мы ведем переговоры в этом направлении, но говорить об этом подробно пока преждевременно.

— Расскажите, пожалуйста, о дистрибьюторской деятельности «Синтез-Микроэлектроники». Компоненты каких компаний вы поставляете? Почему выбраны именно эти компании?

— В настоящее время мы являемся официальным дистрибьютором только одной компании, о которой я уже говорил, это китайская HSRI. И выбрали мы её неслучайно. Компания производит очень широкую группу продукции: СВЧ ИС, транзисторы и модули, MEMS, оптоэлектронные продукты, металлокерамические корпуса для ИС, транзисторов, оптоэлектроники и т.д. Наша главная цель — не расширение дистрибьюторской сети зарубежных производителей, а расширение российской клиентской базы и комплексное обслуживание клиентов. Именно поэтому нам порой приходится решать задачи, которыми изначально мы не планировали заниматься. Когда один из клиентов обратился к нам за помощью по закупке зарубежных электронных компонентов, производство которых было прекращено несколько лет назад, мы «просканировали» складские запасы Европы, Америки, Азии и нашли то, что требовалось, чтобы производство нашего заказчика не остановилось. Это сразу отразилось на росте доверия к нам, т.к. другие российские поставщики не смогли помочь клиенту или назвали очень высокие цены. Поэтому наша сфера в дистрибуции и поставке — это «трудные» компоненты и комплексные продукты.

— Ваше знание российского рынка микроэлектроники позволяет Вам оценить его объём, охарактеризовать наиболее значимые сегменты рынка.

— Начавшееся после 1998 г. медленное восстановление российского рынка микроэлектроники серьезно затронуло только один сегмент продукции — ИС и электронные компоненты специального применения. Частичное восста-

Электронные компоненты №2 2011

7 РЫНОК

клиентов. Мы не конкурируем с крупными дистрибьюторами электронных компонентов, поскольку работаем в области трудных позиций: с продукцией экстремального и радиационностойкого исполнения или снятой с производства. В области поставки оборудования с компаниями «Совтест АТЕ» или «Предприятие Остек» мы тоже не конкурируем, т.к. работаем с бывшим в употреблении импортным оборудованием, которое необходимо адаптировать к новым требованиям. Попутно могут решаться и другие комплексные проблемы. Допустим, одновременно с поставкой оборудования необходимо разработать корпус ИС или совместимое с ним контактирующее устройство. В этих вопросах мы мобильны и готовы быстро разобраться в возникших проблемах. Это не значит, что наша компания — уникальна и неповторима, но мы стараемся двигаться в фарватере реалий российской микроэлектроники и решать конкретные проблемы клиентов.

РЫНОК

8

новление государственного оборонного заказа и экспортные контракты по вооружению позволили многим российским предприятиям встать с колен. К сожалению, многие предприятия вместо создания новых продуктов стали улучшать свои финансовые показатели за счёт роста цен на старые продукты. Однако главными системными проблемами российского рынка микроэлектроники являются отсутствие роста и потребности в отечественных микросхемах, особенно в сферах бытовой и промышленной электроники, и его монополизация. К сожалению, за последние 20 лет российское правительство не смогло сформировать спрос на отечественную микроэлектронику (как это сделал тот же Китай) и привлечь в страну не столько деньги, сколько новые технологии и рынки сбыта. Без них инвестиции, измеряемые в миллиардах долларов, являются мёртвым или спекулятивным капиталом. В качестве примера, подтверждающего неспособность решать вопросы формирования рынка, можно привести ситуацию с локализацией производства комплектующих для сборки зарубежных автомобилей. В России появилось много сборочных автопроизводств, однако я не слышал об организации локализованного производства электронных компонентов и блоков для них. Локализация производства осталась декларацией, и финансовый кризис не может быть оправданием. Что касается второй проблемы, то она является советским наследием и производной от проблемы первой. Но решать её необходимо. В противном случае даже заградительные ввозные таможенные пошлины не спасут большинство микроэлектронных предприятий. Частичным примером решения вопросов формирования рынка и модернизации предприятий является частно-государственное партнёрство. Такая схема проходит проверку на зеленоградском «Микроне». Однако спрос на новую продукцию «Микрона» развивается настолько медленно, что у «Микрона» неизбежно возникнет проблема загрузки производственных мощностей. Даже при том, что акционеры компании прилагают большие усилия для формирования внутреннего рынка своей новой продукции в банковской, коммуникационной, транспортной сферах. А что делать более мелким предприятиям, у которых нет крупного и авторитетного акционера? В здоровой рыночной системе государство должно создавать правила игры для развития рынка, тогда частный капитал сам будет искать сферу приложе-

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ния, а предприятия не будут во всём полагаться на государство. До финансового кризиса одним из наиболее стабильных на рынке микроэлектроники был сегмент электронных компонентов для российской автоэлектроники. Кризис сместил акцент на применение электронных компонентов автоэлектроники для вторичного ремонтного рынка. Пожалуй, сектор автоэлектроники может остаться наиболее подготовленным и востребованным на рынке, при условии локализации производства в России комплектующих для иномарок.

— Каким Вы видите взаимодействие российских контрактных производителей и дистрибьюторов с глобальными компаниями?

— Дистрибьюторы уже давно работают в условиях глобализации рынка, и сегодня в Россию могут осуществляться поставки любых (за исключением требующих экспортных лицензий) компонентов. Нельзя сказать того же о контрактных производителях. Большинство из них использует «отвёрточную» технологию. И с момента появления в 90-х гг. первых контрактных производств бытовой техники мало что изменилось. Локализации производства не произошло. Этого не хотят ни зарубежные, ни российские компании. И в этом главная проблема. Решать её необходимо системно, методом «пряника и кнута», именно с таким приоритетом. Экономические стимулы должны быть «пряником», а обязательства по локализации — «кнутом».

— Как Вы считаете, была ли польза от кризиса для российских компаний? Как ваша компания пережила кризис?

— Экономический кризис можно сравнить с вирусом гриппа. Он воздействует на все организмы — крепкие, ослабленные, детские. Крепкий организм позволяет перенести вирус даже без прекращения трудовой деятельности, а вот детский организм требует всех мер защиты и максимально уязвим. Кризис, как и вирус гриппа, не опасен только для изолированного малообитаемого острова, например, для Северной Кореи. Для российской электроники, как для детского организма, кризис опасен тем, что мы перестаем учиться, списывая всё на общемировые проблемы. Кроме того, мы неадекватно оцениваем возможности собственного организма. Помните громкие заявления в разгар кризиса высокопоставленных руководителей нашей страны о «тихом российском оазисе» в условиях мировой бури и о рубле как альтернативе американскому доллару?

Ещё кризис, к сожалению, отменяет планы тех зарубежных инвесторов, которые имели намерения в России. Проблемы во время кризиса возникли даже у Китая, переориентировавшего свои программы на увеличение внутреннего спроса. Конечно, кризис отразился и на нашей компании. Мы отменили два проекта в области автоэлектроники, но, правда, расширили свою деятельность в других направлениях.

— Какой смысл Вы вкладываете в понятие «российский производитель»?

— Для меня понятие «российский производитель» имеет чёткий количественный экономический, а не политический критерий. Если доля российского производителя товара составляет 50% или более от себестоимости (включая материалы и услуги), то его с полным правом можно назвать российским производителем. Кроме того, он должен быть зарегистрирован в России и платить здесь налоги. Возможно, в области микроэлектроники с учётом этой шкалы только «Микрон», с некоторыми условностями, можно назвать российским производителем.

— Как Вы считаете, эффективны ли меры государства по развитию российского рынка электроники?

— В качестве главного упрёка государству можно высказать претензию об отсутствии эффективных мер формирования рынка высокотехнологических продуктов. В отличие от рынка продовольствия, который возникает помимо воли государства в силу физиологических особенностей человека, рынок hi-tech не может возникнуть стихийно по воле одной, даже очень крупной компании. Формирование рынка требует длительной, системной работы. Китай формировал этот рынок по этапам: отверточная сборка, производство блоков из зарубежных электронных компонентов, сборка электронных компонентов по зарубежным технологиям, производство чипов по зарубежным технологиям, собственные разработки изделий микроэлектроники. Все эти этапы Китай прошел за 15—20 лет. Россия в это же время «застряла» на начальном этапе. Только, в отличие от России, в начале этого пути микроэлектроники в Китае не было. В последние 6 лет я часто бывал в Китае и наблюдал эволюцию микроэлектроники в этой стране. Параллельное развитие за счёт частного капитала и государственных программ позволит Китаю к 2015 г. иметь 30—33% мирового полупроводникового производства. К сожалению, российский крупный частный бизнес даже не пытается преодолеть синдром «быстрого обогащения» и предпочи-

тает вкладывать деньги в высоколиквидные спекулятивные товары (сырьё, недвижимость и др.) И вряд ли, учитывая сырьевую направленность нашей экономики, ситуация в ближайшие годы изменится. Во всем мире, начиная с создания первого планарного транзистора, микроэлектроника является нерискованным и прибыльным бизнесом. Но только не в России. Нельзя построить рыночную экономику в одном Сколково, если Сколково не будет мультиплицировано по всей России. А вот в том, что это будет выполнено, есть сомнения. Пока механизм такого распространения не просматривается. В числе нерешённых остается задача создания благоприятного инвестиционного климата. Тогда, возможно, как и Китаю, нам пришлось бы сдерживать приток инвестиций для предотвращения побочных явлений, а не радоваться, что приток капитала превышает его отток из России.

К сожалению, пока в российской микроэлектронике не получается системного партнерства частного бизнеса и государства. Причём, по обоюдной вине. Но это уже проблема всего российского hi-tech и промышленности, а не только микроэлектроники. Нашей промышленности не хватает не денежных инвестиций, а рынков сбыта и новых технологий. В Китае в начале пути главной движущей силой являлись частные (зарубежные и китайские) инвесторы и государство. В нашей микроэлектронике нет ни того, ни другого. И это главная проблема не только государства, но и бизнеса.

— Как в вашей компании решаются кадровые проблемы? Если такая проблема вообще есть?

— Такая проблема очень характерна для нашей страны. И я бы выделил в ней две составляющие: проблема квалификации и проблема ответственно-

сти кадров. Первому можно научить в учебном заведении и в компании. А для решения второй проблемы необходима общая благоприятная среда. Создание микросреды в рамках компании — это задача руководителя компании. А вот создание общей макросреды для ведения бизнеса в стране — это пока нерешенная проблема. В нашей компании мы стараемся учить сотрудников и тому, и другому. Вместе с ними постоянно учусь и я сам. Когда-то на Тайване один из президентов компании на мой вопрос о методах выбора кадров ответил, что для него и его кадровой службы главным является здоровый блеск в глазах соискателя. Если этот блеск есть, то остальному кандидата научат. Вот мы и стараемся найти этот блеск в глазах и научить тому, что умеем сами.

Материал подготовили Леонид Чанов и Елизавета Воронина

СОБЫТИЯ РЫНКА

РЫНОК

10

| DEDF-2011: РОССИЙСКИМ РАЗРАБОТЧИКАМ ПОРА ВЫХОДИТЬ НА ВНЕШНИЕ РЫНКИ | 3 марта 2011 г. в Москве прошел ежегодный форум разработчиков цифровой электроники DEDF-2011. Организаторы DEDF-2011: инновационная компания Promwad — контрактный разработчик электроники и компания MT System — официальный российский дистрибьютор электронных компонентов. Ключевая тема форума — «Практика применения систем на кристалле в мультимедийной и портативной электронике». Форум разработчиков цифровой электроники (DEDF) — это цикл ежегодных практических конференций. В этом году участники конференции: инженеры-разработчики, технические специалисты, руководители отделов разработки, технические директора дизайн-центров обсуждали общие вопросы разработки электроники, в частности, новые подходы и методы проектирования мультимедийной электроники. На конференции были представлены новые разработки российских специалистов — устройства и встраиваемые системы на чипах Samsung, Texas Instruments и других компаний, а также опыт применения ОС Linux, Android и WinCE на базе СнК для мультимедийной электроники. В пленарной части форума выступили бренд-менеджер компании MT System Сергей Щедрин, директор компании Promwad Роман Пахолков, президент компании Tancher Антон Тюрин, главный редактор медиагруппы «Электроника» Леонид Чанов. Докладчики познакомили участников с деятельностью своих компаний и высказали свои мнения о развитии российской электроники. После перерыва форум продолжил работу в двух секциях, где рассматривались практические аспекты разработки. Инженер по применению компании Avnet-Memec — Сергей Заболотский рассказал о применении мобильных процессоров ARMADA-xxx и Kirkwod и продемонстрировал отладочные платы микроконтроллеров с мониторингом энергопотребления в режиме реального времени. Иван Кутень, руководитель отдела R&D компании Promwad, познакомил участников форума с особенностями применения мобильного процессора S3C6410 от Samsung. Сергей Миронов, инженер-программист НТЦ «Модуль», рассказал о создании программного обеспечения СНК декодера цифрового телевизионного сигнала стандартной и высокой четкости (СБИС К1879ХБ1Я). Виктор Полстюк, программист компании Promwad, сделал доклад о применении системы ГЛОНАСС для синхронизации времени. Представитель компании Texas Instruments Дмитрий Яблоков рассказал об особенностях организации питания для систем на кристалле на базе Cortex-A8, DSP, ARM11 и ARM9. Антон Жуковский, программист компании Promwad, рассказал о возможностях мультимедийной периферии процессора S3C6410 от Samsung. Координатор по собственной продукции компании «Терраэлектроника» — Владимир Бродин представил многоцелевые модули компании «Терраэлектроника» на базе микроконтроллеров STM32 F1/F2, предназначенные для решения задач мультимедийного управления и отображения графики. Форум позволил разработчикам цифровой электроники обсудить актуальные вопросы управления процессом разработки и ведения бизнеса, обменяться ценным опытом в решении инженерных задач. Пример многих компаний показывает, что российским разработчикам вполне по силам самостоятельно выходить со своими идеями на внешний рынок и добиваться там успеха. www.elcomdesign.ru

WWW.ELCOMDESIGN.RU

СОБЫТИЯ РЫНКА | ПЕРВЫЕ ПРОДАЖИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ПОЗВОЛЯЮТ УЛУЧШИТЬ ПРОГНОЗ НА 2011 г. | К такому выводу пришли аналитики IC Insights на основе статистических данных группы World Semiconductor Trade Statistics (WSTS) о продажах полупроводников в январе текущего года. Прежде агентство IC Insights прогнозировало рост полупроводниковой отрасли до 10%. Однако в январе объем продаж микросхем достиг 21,4 млрд долл. — на 16% больше, чем в январе 2010 г. и лишь на 4,5% меньше декабрьского показателя. Такая рекордно малая разница не наблюдалась с 1990 г., сообщает IC Insights. Основываясь на январском показателе продаж полупроводников и учитывая средние темпы роста отрасли в феврале и марте за период 1999—2010 гг. (3 и 28%, соответственно), аналитики IC Insights рассчитали, что объем рынка в I кв. текущего года составит 71,6 млрд долл., что на 14% выше того же показателя 2010 г. Более того, объем рынка может достичь рекордно высокого значения за последние 27 лет. Даже если за основу расчетов брать наименьшие относительные изменения объемов продаж в феврале и марте с 1999 г. (7% в феврале 2007 г. и 19% — в марте 2005 г.), темпы роста рынка в I кв. составят 3% относительно IV кв. 2010 г. «Вполне возможно, что на фоне снижения уровня безработицы, а также роста производственных заказов в США и высокого показателя объемов закупок рынок полупроводников ожидает хороший рост», — делает вывод IC Insights. Однако аналитики агентства предупреждают, что на состоянии этого рынка может негативно отразиться один плохо просчитываемый фактор — цены на нефть, которые подскочили в результате последних событий на Ближнем Востоке. Если цена за баррель нефти сохранится на уровне 100 долл. или менее, рынок полупроводников вырастет, по крайней мере, на 10% в 2011 г. Если же эта цена надолго превысит значение в 100 долл., восстановление мировой экономики будет идти гораздо медленнее. www.elcomdesign.ru

| КАПИТАЛЬНЫЕ РАСХОДЫ В 2011 Г. СТАНУТ РЕКОРДНО ВЫСОКИМИ | По оценкам SEMI (Semiconductor Equipment and Materials International), капитальные расходы компаний всего мира вырастут на 22%. В то же время расходы на оборудование в 2011 г. увеличатся до 28%. Такие выводы SEMI сделала после анализа планов капитальных расходов foundry-компаний и поставщиков памяти. По мнению аналитиков SEMI, совокупные расходы на фабрики могут составить 47,2 млрд долл. в текущем году, превысив прогнозируемые 38,6 млрд долл. и рекордное значение в 2007 г., составившее 46,4 млрд долл. По данным SEMI, в 2011 г. капитальные расходы некоторых компаний достигнут исторических максимумов. Например, TSMC планирует увеличить капитальные затраты до 7,8 млрд долл. в 2011 г. (5,9 млрд долл. в 2010 г.), Intel — до 9 млрд долл. (5,2 млрд долл. в 2010 г.), а GlobalFoundries — до 5,4 млрд долл. (2,7 млрд долл. в 2010 г.). Эти компании осознают угрозу затоваривания рынка и потому большую часть расходов направляют на модернизацию существующего производственного оборудования. По данным SEMI, ежегодный прирост мощностей за предкризисный период 2004–2007 гг. составлял 14–23%. В 2011 г. темпы роста замедлятся и не превысят 9%, а в 2012 г. составят 7%, исключая рынок дискретных устройств. Темпы роста в 2013 и 2014 гг. также будут невысокими — около 7%. В 2010 г. началось строительство 34 фабрик, большая часть которых будет заниматься производством светодиодов. Только семь заводов будут запущены с высокой вероятностью, четыре из которых, возможно, начнут работать в 2012 г. О планах строительства фабрики стоимостью 5 млрд долл. по выпуску 300-мм пластин сообщила Intel. Ожидается, что ее сооружение завершится в 2013 г. www.elcomdesign.ru

www.lightingmedia.ru

Электронные компоненты №2 2011

11 НОВОС ТИ

| ПОДПИСАНО СОГЛАШЕНИЕ О ДОРОЖНОЙ КАРТЕ «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ В ПРОИЗВОДСТВЕ СВЕТОДИОДОВ» | РОСНАНО и «Некоммерческое партнерство производителей светодиодов и систем на их основе» (НП ПСС) подписали соглашение о совместной реализации и мониторинге дорожной карты — «Использование нанотехнологий в производстве светодиодов». Дорожная карта, в подготовке которой наряду с ГУ ВШЭ приняли участие ведущие российские специалисты по светодиодным технологиям, содержит описание различных типов светоизлучающих устройств и сравнение их рыночных перспектив с тенденциями современного развития светодиодной отрасли. Карта представляет собой основу для создания национальной программы развития светодиодных технологий. В документе указаны перспективные направления развития производства светодиодов и необходимые меры поддержки, в числе которых — создание и развитие необходимой инфраструктуры, совершенствование нормативной базы. Совместными усилиями РОСНАНО, НП ПСС, научного и технологического сообщества необходимо актуализировать и откорректировать разработанный документ. Первым мероприятием в рамках подписанного соглашения станет круглый стол «Производство светодиодов в России — дорожная карта», который пройдёт 20 апреля на площадке выставки LEDTechExpo-2011. К участию в работе круглого стола приглашаются все заинтересованные стороны. НП ПСС учреждено при поддержке Правительства РФ, ГК «Роснано» и ГК «Ростехнологии» в конце 2010 г. с целью консолидации российских производителей светодиодов, светодиодных материалов и комплектующих, светодиодной светотехники и обеспечивающих ее систем, а также проектных, учебных и научных организаций, осуществляющих деятельность в сфере светодиодной индустрии и смежных с ней областях. В настоящее время Партнерство ведет прием новых членов и ставит задачу активного формирования совместно со всеми заинтересованными предприятиями, профильными организациями и органами власти, рынка светодиодной продукции, обеспечивающего развитие светодиодной индустрии России.

Назначение экранированных кабелей

12

Промышленные объекты, например производственные помещения, обычно отличаются электрически зашумленными условиями работы. Электрические шумы в виде наводок по цепям питания и помех от паразитных излучений, относящиеся к электромагнитным помехам (EMI), могут серьезно нарушить работу всего оборудования. Изоляционное покрытие механически защищает кабель от сколов и износа, а также от сырости и пролитой жидкости. Однако такое покрытие прозрачно для электромагнитных излучений и поэтому не обеспечивает от них защиту. Для борьбы с электромагнитными шумами необходимо экранирование. Кабели могут быть как основным источником, так и приемником электромагнитных помех. Как источник кабель либо передает шумы на другое оборудование, либо действует как антенна, излучающая помехи. Как приемник кабель улавливает электромагнитные помехи, излучаемые другими источниками. Экранирование помогает в обоих случаях. В таблице 1 даны общие принципы классификации уровня шума на площадях, подвергающихся его воздействию. Следует отметить, что в случаях переключения мощной нагрузки, эксплуатации индукционных нагревателей и больших трансформаторов возникают большие помехи в результате наводок по цепям питания или от паразитных излучений. Размещение сигнальных линий рядом с силовыми кабелями может также стать причиной появления сетевых наводок в сигнальных цепях. Основным способом борьбы с электромагнитными помехами в кабелях является экранирование (см. рис. 1). Экран окружает внутренний сигнальный или силовой проводник, воздействуя на электромагнитные помехи двумя способами. Во-первых, экран отражает излучение. Во-вторых, он улавливает шумы и перенаправляет их на земляную шину. Всегда часть паразитной энергии проходит через экран, но она настолько невелика, что не приводит к существенным наводкам. Кабели обеспечивают разную степень экранирования и уровень эффективности защиты. Требуемая степень экранирования зависит от нескольких факторов: электрического окружения, в котором используется кабель, стоимости кабеля, а также от таких характеристик как диаметр кабеля, его вес и гибкость. Неэкранированный кабель в промышленном оборудовании, как правило, проходит внутри металлических шкафов или металлических труб, защищающих от внешних электромагнитных излучений. Существуют два типа экранирования кабелей: оплетка и покрытие из фольги. Для изготовления фольгированного экрана применяется тонкий слой алюминия, крепящийся на основу, например из полиэстера, для придания прочности и износоустойчивости. Такой экран обеспечивает 100-% покрытие проводников. Однако он очень тонкий, что затрудняет

работу с ним, особенно когда используются разъемы. Обычно вместо заземления всего экрана применяется отводящий провод для соединения конца экрана с землей. Оплетка представляет собой сетку из оголенной или луженой медной проволоки. Оплетка обеспечивает низкоомное заземление и легче крепится к разъему методом обжатия или пайки. Тем не менее экран из оплетки не обеспечивает 100-% покрытия, оставляя в нем небольшие зазоры. В зависимости от плотности оплетка обеспечивает 70…95% покрытия. Для стационарного кабеля, как правило, бывает достаточно 70-% покрытия. На практике трудно заметить увеличение эффективности экранирования при использовании оплетки с более высоким процентом покрытия. Поскольку медь имеет более высокую электропроводность, чем алюминий, а оплетка лучше защищает от наводок по цепям питания, медная оплетка более эффективна как экран. Однако при этом увеличиваются размеры и стоимость кабеля. В очень зашумленных окружающих условиях часто используются многослойные экраны. Наиболее распространенной комбинацией является экран из фольги и оплетки. В многожильных кабелях отдельные пары проводов иногда экранируются фольгой для защиты от перекрестных наводок между соседними парами, в то время как весь кабель экранируется либо фольгой, либо оплеткой, либо их комбинацией. Кабели могут использовать два слоя или фольги, или оплетки. Метод экранирования SupraShield, предложенный компанией Alpha Wire, объединяет в защитном покрытии кабеля как фольгированные, так и оплеточные экраны (см. рис. 2). Каждый из экранов поддерживает другой, что позволяет преодолеть прочностные ограничения каждого из них. Такой подход позволяет добиться наибольшей эффективности экранирования по сравнению с использованием каждого из экранов по отдельности (см. рис. 3). Улучшение эксплуатационных характеристик кабелей SupraShield достигается за счет применения уникальной трехслойной фольгированной ленты из алюминияполиэстера-алюминия. Такая лента повышает эффективность экранирования за счет уменьшения сопротивления

Рис. 1. Экран отражает часть излучения, передает часть энергии в землю и пропускает незначительную долю энергии

Таблица 1. Принципы классификации уровня шумов Уровень шума Высокий Средний Низкий

Источник шума Электролитические процессы, мощные двигатели, генераторы, трансформаторы, индукционные нагреватели, релейные блоки управления, силовые линии и провода цепи управления, расположенные в непосредственной близости Провода, расположенные рядом с двигателями среднего размера, релейные блоки управления Провода, расположенные на сравнительно большом расстоянии от силовых линий; двигатели менее 5 л.с.; в отсутствие в ближайшем окружении индукционных нагревателей, электрических разрядов и силовых реле

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Типичное расположение Большие производства, такие как сталепрокатные и литейные цеха Средние промышленные производства Склады, лаборатории, офисы и осветительные установки

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОГО ЭКРАНИРОВАНИЯ

Рис. 2. Типовые конфигурации экранов

Рис. 3. Комбинированный экран из фольги/оплетки обладает самой высокой эффективностью экранирования

экрана и отводящего провода, облегчающего быстрое и надежное заземление. На практике назначение экрана заключается в передаче любых наведенных помех на землю. Важность экранирования нельзя недооценивать, а непонимание этого вопроса может привести к использованию неэффективных экранов. Экран кабеля и его концевая заделка должны обеспечивать низкоомное заземление. Незаземленный экранированный кабель работает неэффективно. Любые повреждения экрана могут увеличить импеданс и снизить эффективность экранирования.

1. Убедитесь, что используемый кабель имеет достаточную для приложения степень экранирования. В умеренно зашумленной среде адекватную защиту обеспечивает применение фольгированного экрана. В более зашумленной обстановке требуется использовать экран из оплетки или комбинированный экран из оплетки и фольги.

2. Используйте кабель, пригодный для приложения. В кабелях, подвергающихся регулярным изгибам, вместо оплетки, как правило, используется спирально навитая экранировка. Избегайте применения гибких кабелей с экраном из фольги, поскольку их регулярное сгибание вызывает износ фольги.

3. Убедитесь, что оборудование, к которому подсоединен кабель, правильно заземлено. Используйте заземление там, где это возможно, и проверяйте соединение между точкой заземления и оборудованием. Степень устранения помех зависит от величины сопротивления проводника, идущего на землю (чем меньше, тем лучше).

4. Конструкции большинства разъемов допускают 360° законцовку экрана. Убедитесь, что эффективности экранирования разъема и кабеля одинаковы. Например, многие широко распространенные разъемы предлагаются с кожухом из металлизированного пластика с покрытием из цинка или алюминия. Избегайте как переплаты за кабель, в котором отсутствует необходимость, так и его недооценки, в результате которой эффективность экранирования оказывается недостаточной.

5. Заземляйте кабель только на одном конце. Это устраняет возможность возникновения шумов в заземляющем контуре. Эффективность экранирования определяется качеством наиболее слабого компонента. Высококачественный кабель не обеспечит должного экранирования при использовании низкокачественного разъема. И, наоборот, самый хороший разъем не защитит систему от помех, если кабель плох.

НОВОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

14

| AGILENT TECHNOLOGIES РАСШИРЯЕТ ЛИНЕЙКУ ГЕНЕРАТОРОВ СИГНАЛОВ ПРОИЗВОЛЬНОЙ ФОРМЫ | Новый широкополосный модульный генератор М8190А с частотой дискретизации 8 или 12 Гвыб./с обеспечивает высокое разрешение и характеризуется самым широким в отрасли динамическим диапазоном, свободным от паразитных составляющих, и крайне малыми динамическими искажениями. Такая уникальная функциональность позволяет разработчикам средств радиоэлектронного противодействия, радиолокационных и спутниковых систем выполнять надежные, воспроизводимые измерения и создавать реалистичные сигнальные сценарии для тестирования продуктов. Основные характеристики M8190A: – разрешение 14 битов и полоса пропускания более 5 ГГц на канал одновременно; – возможность создания реалистичных сценариев за счет памяти на 2 Гвыб.; – меньший размер и масса системы благодаря модульной конструкции формата AXIe. Генератор сигналов произвольной формы M8190A позволяет: – создавать прочную основу для высоконадежной спутниковой связи; – генерировать многоуровневые сигналы с программируемыми межсимвольными помехами и джиттером со скоростями до 3 Гбит/с; – отвечать современным рыночным требованиям благодаря новым технологиям генерации сигнала. Высокие характеристики M8190A достигаются за счет специальных ЦАП, разработанных в научноисследовательской измерительной лаборатории Agilent. ЦАП изготавливаются по технологии BiCMOS. Их производительность достигает 8 Гвыб./с при 14-разрядном разрешении и 12 Гвыб./с — при 12-разрядном разрешении. На частоте дискретизации 8 Гвыб./с ЦАП компании Agilent обеспечивает свободный от паразитных составляющих динамический диапазон 75 дБ в диапазоне частот 0…3 ГГц. www.elcomdesign.ru

WWW.ELCOMDESIGN.RU

АРХИТЕКТУРЫ РАСПРЕДЕЛЕННОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ РОБЕРТ МАРЧЕТТИ (ROBERT MARCHETTI), инженер, Vicor Corporation

В статье проанализированы существующие архитектуры распределённого питания, отмечены их достоинства и недостатки, названы области применения. Особое внимание уделено факторизованной архитектуре, для которой описаны преобразователи. эффективностью, поскольку в них нет последовательных каскадов для преобразования мощности, а тепловые проблемы и электромагнитные помехи ограничены одним корпусом. В прошлом централизованные системы, проектируемые, как правило, по техническим условиям заказчика, выбирались разработчиками исходя из наименьшей стоимости. CPA подходят для приложений, в которых в процессе эксплуатации не меняются требования к мощности источника и для которых не особенно актуален вопрос занимаемого объема. Центральный блок питания должен располагаться как можно ближе к нагрузке для минимизации распределенных тепловых потерь (I2R). В то же время, с точки зрения безопасности и снижения электромагнитных помех, его следует размещать рядом с источником переменного тока. На практике выполнить оба этих требования бывает очень трудно. Несмотря на то, что централизованные источники питания хорошо работают во многих приложениях, они все чаще не отвечают требованиям, предъявляемым современными системами, в которых надо распределять сотни «общих» ампер тока по нескольким низковольтным входам. К тому же, у CPA-систем отсутствует масштабируемость: разработчикам может потребоваться создать систему с изменяемой конфигурацией с платами, использующими несколько номиналов напряжений. Источник питания для такой системы с возможностью масштабирования выходных сигна-

лов, реализованный по принципу СРА, будет довольно дорогим. Чтобы избежать ухудшения быстродействия современных микропроцессоров, необходимо располагать источники питания рядом с нагрузкой. При использовании централизованной архитектуры организация теплоотвода также может оказаться сложной задачей, ведь бывает необходимо отвести несколько сотен ватт тепла из ограниченного пространства. Для защиты системы от перегрева могут потребоваться большие радиаторы и вентиляторы, но даже при этом не исключены локальные перегревы, снижающие общую надежность. РАСПРЕДЕЛЕННАЯ АРХИТЕКТУРА СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Низковольтные нагрузки получают все большее распространение, что привело к появлению концепции модульного построения источников питания и началу эры распределенных систем электропитания (см. рис. 2). В распределенных системах модули DC/ DC-пре образователей размещаются на системных платах рядом с соответствующей нагрузкой. Начиная с 1980 гг., модули DPA выполняли классические функции DC/DC-преобразователей (изоляцию от первичной сети, преобразование напряжения и регулирование) для конкретной нагрузки. Но поскольку количество уровней напряжений, требуемых для системных плат, постоянно возрастало, модули DPA стали занимать слишком много пространства на печатной плате, стоимость дублирования полнофункциональных преобразовате-

Рис. 1. Централизованная архитектура питания

Электронные компоненты №2 2011

15 М ИКРОС ХЕМЫ С ИЛ О ВО Й ЭЛ ЕК ТРОН ИКИ

Поскольку каждое новое поколение процессоров, чипов памяти, цифровых сигнальных процессоров (DSP) и специализированных интегральных схем (ASIC) благодаря прогрессу в сфере кремниевых технологических процессов становится все меньше по размерам, сохраняется и тенденция снижения напряжений питания при увеличении токов. Подобный ход событий предъявляет все новые требования к инфраструктуре источников питания и архитектурам электропитания, которые бывают следующих типов: централизованная архитектура электропитания (Centralised Power Architecture, CPA), децентрализованная (распределенная) система питания (Distributed Power Architecture, DPA) и распределенная архитектура с промежуточной шиной (Intermediate Bus Architecture, IBA). К последней принадлежит факторизованная архитектура электропитания (Factorized power architecture, FPA), способная выполнить все требования к соотношению напряжение/ток, диктуемые современными большими ИС. Классическая архитектура CPA, самая простая и эффективная по стоимости, продолжает применяться в соответствующих системах связи, которые и были одними из первых приложений, выявивших неспособность централизованной архитектуры эффективно передавать низкие напряжения при больших токах. В случае применения централизованной архитектуры источник питания, выполняющий все необходимые функции выпрямления и DC/DC-преобразования, размещается в одном корпусе (см. рис.1). Он преобразовывает сетевое напряжение в набор постоянных напряжений, необходимых для функционирования системы, и подает эти напряжения по отдельным шинам к соответствующим нагрузкам. Это очень эффективное по стоимости решение, не требующее применения дорогих печатных плат для преобразования напряжений и доставки их к нагрузке. Такие системы электропитания характеризуются средней энергетической

Рис. 2. Распределенные источники питания, имеющие децентрализованную архитектуру, состоят из DC/ DC-преобразователей, расположенных рядом с обслуживаемой ими нагрузкой

Рис. 3. Архитектура питания с промежуточной шиной использует изолированный преобразователь промежуточной шины для питания относительно недорогих niPOL- преобразователей

МИ КРО С Х ЕМЫ С ИЛ ОВОЙ ЭЛ ЕК Т РОН ИКИ

16

лей увеличилась во много раз, и система стала избыточной. На входную шину распределенных источников питания, имеющих децентрализованную архитектуру, подается постоянное напряжение, обычно 48 или 300 В в зависимости от используемого AC/DC-преобразователя. DC/ DC-преобразователи, расположенные на системных платах рядом с обслуживаемой ими нагрузкой, завершают цепочку, подводя напряжение на соответствующую шину. Изолированные DC/DC-преобразователи подбираются под конкретную нагрузку, что позволяет улучшить динамические характеристики и устранить проблемы, связанные с распределением по системе низких напряжений. При распределенном подходе рассеиваемая мощность распределяется по всей системе, что позволяет значительно сократить, а иногда и устранить потребность в радиаторах и принудительной вентиляции. К тому же, напряжения, подводимые к платам, подбираются конкретно под них в соответствии с системными требованиями, поэтому DPA намного более эффективно по стоимости в сравнении с централизованной архитектурой. Для любой критической нагрузки довольно просто осуществить резервирование: достаточно параллельно поставить дополнительный DC/DC-преобразователь там, где это требуется. Однако DPA-решения могут быть существенно дороже СРА-систем. Например, гальваническая развязка, трансформация, фильтрация электромагнитных помех и защита по входу осуществляются в каждом модуле, поэтому по мере

WWW.ELCOMDESIGN.RU

увеличения источников нагрузки возрастает как стоимость, так и площадь самих печатных плат. РАСПРЕДЕЛЕННАЯ АРХИТЕКТУРА СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ С ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ШИНОЙ

С целью снижения стоимости систем электропитания для приложений со множеством разных уровней низких напряжений в архитектуре питания с промежуточной шиной функции DC/ DC-преобразователя поделены между двумя устройствами. Преобразователь промежуточной шины (Intermediate Bus Converter, IBC) формирует напряжение на этой шине и обеспечивает гальваническую развязку, а неизолированный преобразователь (non isolated Point of Load, niPOL), работающий от этой шины, выполняет окончательное преобразование и регулирование выходного напряжения. За счет того, что niPOL не имеют изоляции и поэтому дешевле, чем полные DC/DC-преобразователи, IBА-системы электропитания могут быть сравнительно недорогими. Однако при использовании типовых niPOL понижающих преобразователей всегда приходится искать компромисс между эффективным распределением мощности и эффективностью рабочего цикла при преобразовании мощности.

IBА-системы электропитания отличаются от DPA-систем тем, что они преобразуют входное постоянное напряжение (например, 48 или 300 В) в промежуточное постоянное напряжение, обычно 9,6 или 12 В, необходимое для питания niPOL-преобразователей (см. рис. 3). niPOL, как правило, имеют меньшие габариты и вес по сравне-

нию с полнофункциональными DC/ DC-преобразователями, что упрощает топологию печатных плат. Кроме того, niPOL-преобразователи имеют высокий коэффициент преобразования напряжения. В IBА-системах niPOL-преобразователи зависят от работы преобразователя промежуточной шины, обеспечивающего развязку и понижение постоянного напряжения входной шины. Таким устройством является промежуточный IBС-преобразователь, который обычно представляет собой либо полный DC/ DC-преобразователь, работающий от источника постоянного напряжения, либо нерегулируемый преобразователь, работающий в узком диапазоне входных напряжений. Добавление к промежуточной шине дополнительного преобразователя напряжений значительно снижает эффективность системы. К тому же, очень важно располагать его как можно ближе к нагрузке, поскольку даже при использовании промежуточной шины на 12 В токи, протекающие через плату, в четыре раза превышают токи в распределенной системе электропитания на 48 В. К неизбежным последствиям использования дополнительного преобразователя можно также отнести необходимость применения более широких дорожек на плате, более тяжелых медных проводников и более коротких линий связи. Напряжение 12 В для промежуточной шины все же является слишком высоким с точки зрения его эффективного преобразования до низких уровней выходного напряжения (менее 2 В), поскольку при этом коэффициент преобразования становится слишком большим, а коэффициент заполнения рабочего цикла переключения — очень низким. Снижение напряжения на промежуточной шине способно преодолеть это ограничение, но при этом обострятся проблемы, связанные с обеспечением соответствующих дорожек для больших токов. Поскольку niPOL является регулируемым преобразователем, необходимо последовательно с его выходом подключать катушку индуктивности. Однако для низковольтной нагрузки (обычно микропроцессора) требуется, как правило, обеспечивать высокое быстродействие, поэтому введение такой катушки индуктивности приводит к снижению быстродействия там, где необходимо короткое время отклика. В этом и заключается основное ограничение IBA, наиболее остро проявляющееся тогда, когда следует питать современную сложную низковольтную быстродействующую нагрузку. Еще одним недостатком niPOL является принципиально отсутствующая изоляция: нагрузка может выходить

Рис. 4. Низкопрофильные модули FPA

из строя, из-за чего в системе могут появиться проблемы с заземлением и помехами. ФАКТОРИЗОВАННАЯ АРХИТЕКТУРА СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

МИ КРО С Х ЕМЫ С ИЛ ОВОЙ ЭЛ ЕК Т РОН ИКИ

18

FPA реорганизует все основные функции системы питания — преобразование напряжения, гальваническую развязку и регулирование — и реализует их в корпусах, похожих на микросхемы (см. рис. 4). Функциональность схемы при этом делится между двумя устройствами. Одно из устройств называется повышающим/понижающим модулем предварительной стабилизации (Pre-Regulator Module, PRM), который из напряжения входной шины формирует стабилизированное напряжение промежуточной шины (Factorized Bus). Второе устройство, называемое модулем трансформации напряжения (Voltage Tansformation Module, VTM) преобразует напряжение промежуточной шины до уровней, необходимых системе, и обеспечивает гальваническую развязку. Модуль VTM является DC/DC-преобразователем с фиксированным коэффициентом преобразования. Высокочастотные FPA-модули высокой степени интеграции, использующие схемы мягкого переключения при нулевом токе/напряжении, характеризуются такими параметрами как малые размеры, высокая эффективность, низкий шум, хорошее быстродействие и могут обеспечивать на нагрузке высокую плотность мощности, превышающую 1 кВт/дюйм3. На рисунке 5 показаны FPA-модули в основной конфигурации.

PRM- и VTM-модули могут работать поодиночке, вместе, в разомкнутых

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Рис. 5. В основную FPA конфигурацию введена обратная связь, позволяющая модулю PRM регулировать напряжение промежуточной шины при помощи сигнала, снимаемого с последнего POL-преобразователя (удаленное регулирование). Можно также получать управляющий сигнал с самого модуля VTM (адаптивное регулирование), проводить мониторинг выходного сигнала модуля PRM (локальное регулирование) или полагаться на свойственную модулям стабильность (разомкнутый контур регулирования).

цепях, в локальных контурах, в адаптивных цепях, в удаленных контурах, совместно, по отдельности, параллельно или в комбинации с традиционными устройствами преобразования мощности (DC/DC-преобразователями, POL или генераторами подкачки заряда). Используемая в основе VTM-модулей технология является запатентованной топологией преобразования мощности, называемой синусоидальным амплитудным преобразованием (Sine Amplitude Conversion, SAC), позволившим значительно увеличить количество приложений с момента своего появления в 2003 г. Эта топология также составляет основу преобразователей с промежуточной шиной. Преобразователь, реализованный по топологии SAC, использует, в соответствии со своим названием, высокочастотный регулируемый генератор с высокой спектральной чистотой, который работает на резонансной частоте всей силовой цепи, включая внутренний трансформатор. Полностью симметричная конфигурация схемы (ключи с двух сторон трансформатора зеркально отображают друг друга) минимизирует синфазные шумы. Поскольку VTM, реализованный по топологии SAC, является устройством с постоянным коэффициентом преобразования, в нем нет внутреннего механизма регулирования, и, следовательно, у него отсутствуют проблемы, связанные со стабильностью и задержками в управляющем контуре, что обеспечивает хорошее быстродействие. Стабильность выходного напряжения обеспечивается PRM-модулем, который размещается до модуля VTM. Во многих конфигура-

циях на этот модуль приходят сигналы обратной связи. Одной из характеристик SACархитектуры, позволяющей преодолевать ограничения, присущие более ранней IBA-архитектуре, является упомянутая выше фиксированная частота переключения. В существующих реализациях эта частота равна 3,5 МГц. Такая величина минимизирует размеры всех реактивных компонентов, она легко поддается фильтрации и позволяет сократить время отклика. «Мягкое» переключение в точках нулевого тока или напряжения минимизирует потери на переключение и уменьшает на порядок величины dV/dt и dI/dt, что приводит к снижению помех. FPA позволяет также избавиться от выходных катушек индуктивности, необходимых для niPOLпреобразователей в IBА-системах, что, в свою очередь, позволяет минимизировать накопление энергии, снижать энергетические потери и улучшать динамические характеристики.

SAC поддерживает 100% рабочий цикл переключения при любом коэффициенте преобразования, что повышает КПД системы. SAC поддерживает также аналог функции VTM, которую можно назвать трансформатором постоянного тока, позволяющей осуществлять двунаправленное преобразование мощности. При этом возвращается избыточная энергия от нагрузки ко входу, и таким образом улучшается быстродействие системы. SAC демонстрирует также способность к отражению реактивной мощности: можно получить высокоэффективную емкость POL-преобразователей без физического присутствия объемного конденсатора.

КАК ПРАВИЛЬНО ВЫБРАТЬ DC/DC-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПАУЛЬ КНАУБЕР (PAUL KNAUBER), инженер по применению, Murata Power Solutions

Выбор преобразователя для системы питания — непростая задача для разработчика. Параметры и функциональность типовых ИП со стандартными размерами для монтажа на плату постоянно улучшаются, и разработчик должен учитывать множество технических и экономических характеристик. В этой статье мы рассмотрим самые важные из них.

ВЫХОДНАЯ МОЩНОСТЬ

Лучшие образцы преобразователей размером 1/16 brick способны отдавать в нагрузку 66 Вт, в то время как преобразователи размером в 1/2 brick обеспечивают питание нагрузок до 450 Вт (см. рис. 1). Для всех типоразмеров преобразователей выходная мощность с течением времени растёт с тех пор, как 25 лет назад появились первые стандартные блоки питания. Размеры и максимальная мощность типовых преобразователей от 1/2 до 1/32 brick представлены в таблице 1. В самое ближайшее время можно ожидать появления преобразователей в 1/2 brick с мощностью около киловатта при повышении на 2—3% КПД преобразования. Такие изменения связаны с улучшением параметров компонентов, в том числе моточных изделий — дросселей и трансформаторов. При выборе преобразователя по необходимой выходной мощности следует учитывать рабочий цикл и условия работы, в особенности температуру окружающей среды. В справочниках обычно указывается выходная мощность при непрерывной работе при температуре 25°C. Если максимальная выходная мощность потребляется от преобразователя лишь изредка, то, следовательно, можно использовать преМИ КРО С Х ЕМЫ С ИЛ ОВОЙ ЭЛ ЕК Т РОН ИКИ

20

образователь меньшего размера. Он не только обойдётся дешевле, но и будет работать в режиме, более близком к максимально допустимой мощности, что обычно приводит к повышению реального КПД. Однако в период разработки лучшим выбором, как правило, является преобразователь с некоторым запасом по мощности по сравнению с изначальными расчётами. Такой подход гарантирует, что в окончательном варианте не возникнет трудностей с недостаточностью системы питания, а на плате точно будет место для размещения преобразователя, когда разработка будет завершена.

стоит пренебрежительно относиться к повышению КПД даже всего лишь на 1%: если один преобразователь имеет КПД 91%, а другой — 90%, то этот процент разницы соответствует изменению мощности, рассеиваемой преобразователем, на 10%. Выбирая преобразователь, необходимо обратить внимание на то, в каких режимах охлаждения измерялась допустимая выходная мощность — при естественной или принудительной вентиляции. Стоит помнить, что изолированные преобразователи всегда имеют меньший КПД просто из-за того, что потери в трансформаторах больше потерь в дросселях.

РЕАЛЬНЫЙ КПД

Обычно импульсные преобразователи показывают наибольшую эффективность при нагрузке, близкой к максимально допустимой. Чем больше разница между входным и выходным напряжением, тем меньше КПД. При выборе преобразователя следует обратить внимание на график изменения КПД при малых нагрузках и в случае изменений условий эксплуатации, чтобы правильно оценить количество тепла, которое придётся отводить от конструкции в процессе её работы. Лучшие современные преобразователи имеют КПД 80—97,5%. При этом не

ОХЛАЖДЕНИЕ

Допустимая мощность, удельная мощность, КПД и условия эксплуатации — всё это определяет требования к системе охлаждения. Размер системы можно существенно уменьшить, если установить вентилятор для активной системы охлаждения. Однако добавление такого электромеханического устройства существенно уменьшит надёжность и время наработки на отказ. Помимо этого вентилятор увеличит стоимость, уровень шума и трудоёмкость обслуживания, так что лучше отказаться от его использования за исключением тех случаев, когда первостепенное значение имеют габариты устройства. Возможность работы преобразователя при высоких температурах всегда приветствуется, однако стоит помнить, что каждое повышение температуры на 10°C вдвое уменьшает время жизни компонентов. Очень часто конструкция преобразователя предусматривает использование пластинчатого основания в качестве теплоотвода (см. рис. 2). ТЕПЛООТВОД ЧЕРЕЗ НЕСУЩУЮ ПЛАТУ

Рис. 1. Один из лучших по критерию плотности мощности преобразователь 1/16 brick: серия ULS из семейства Murata Power Solutions

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Обычно в системах с конвекционным охлаждением, где скорость

отношение максимального входного напряжения к минимальному равнялось двум), современные же преобразователи рассчитаны на четырёхкратный диапазон входных напряжений 18...75 В. ВОЗМОЖНОСТЬ РЕГУЛИРОВКИ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Рис. 2. Преобразователь HPQ 1/4 brick с пластинчатым основанием для рассеивания тепла с выходной мощностью 300 Вт (12 В, 25 А)

движения воздуха мала или вообще равна нулю, в качестве элемента системы теплоотведения используется пластинчатое основание. Иногда разработчики монтируют это основание на элементы корпуса оборудования. Другой вариант — закрепление на нём специальных радиаторов для увеличения количества рассеиваемого тепла. Кроме того, можно использовать комбинацию охлаждения через основание и активного охлаждения, что позволяет добиться максимальной выходной мощности. Ограничивающим фактором является максимально допустимая для преобразователя температура. Конечно, все современные преобразователи оснащаются системами защиты от перегрева, которые выключают преобразователь по достижении максимальной температуры (или при других неисправностях), однако крайне нежелательно допускать её срабатывания в процессе повседневной эксплуатации. УЧЁТ ПАРАМЕТРОВ НАГРУЗКИ

МИ КРО С Х ЕМЫ С ИЛ ОВОЙ ЭЛ ЕК Т РОН ИКИ

22

Очень редко современные преобразователи работают на чистую, стабильную активную нагрузку с нулевой реактивной составляющей. В условиях нарастающей борьбы с выбросами двуокиси углерода и стремления к экономии электроэнергии всё большее значение приобретает максимизация КПД преобразователей при малых нагрузках. Рассмотрим в качестве примера центр обработки данных. В течение 80% времени система питания рабо-

тает на уровне 20% от максимальной потребляемой мощности, причём в процессе работы показатели энергопотребления меняются очень существенно. Если используемые в системе преобразователи питания имеют высокий КПД при малых нагрузках, эффективность системы будет значительно большей, чем при применении преобразователей, эффективно работающих только при нагрузке, близкой к максимальной. В некоторых приложениях важным параметром может оказаться и динамическая характеристика преобразователя, т.е. то, как быстро он реагирует на изменение нагрузки. Этот параметр описывается скоростью нарастания выходного тока. При этом важной характеристикой следует считать и амплитуду выброса выходного напряжения при скачках тока потребления, а также изменение установившегося напряжения при изменении нагрузки. Для сглаживания пиков выходного напряжения часто используются внешние конденсаторы. ДИАПАЗОН ВХОДНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

При выборе преобразователя с широким диапазоном допустимых входных напряжений его можно будет использовать в большом количестве самых разнообразных конструкций. При этом можно сэкономить, если купить большую партию однотипного товара по более низкой цене и снизить складские издержки. Изначально диапазон входных напряжений был двукратным (т.е.

Таблица 1. Размеры и максимальная мощность типовых преобразователей Тип преобразователя 1/2 brick 1/4 brick 1/8 brick 1/16 brick

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Вых. мощность, Вт 450 300 120 66

Размеры, дюймы 2,4×2,3×0,40 1,45×2,3×0,40 0,9×2,3×0,40 0,9×1,3×0,4

Возможность регулировки выходного напряжения существенно расширяет возможности преобразователя. Очень часто производители допускают такую регулировку в пределах ±10% от номинала без изменения допустимого выходного тока. Однако стоит иметь в виду, что повышение выходного напряжения приводит к увеличению рассеиваемой преобразователем мощности, что нужно учитывать при расчёте тепловых режимов. ГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ РАЗВЯЗКА ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Гальваническая развязка необходима далеко не всегда. Она увеличивает стоимость и снижает надёжность преобразователя, так что выбирать преобразователи с такой развязкой следует только при настоятельной необходимости. Обычно это необходимо для соблюдения требований к технике безопасности (например, в медицинском оборудовании), но иногда гальваническая развязка позволяет снизить уровень помех или получить не привязанный к земле источник опорного напряжения. Например, в США в телефонных сетях общего пользования часто применяются источники питания 48 В с заземлённым положительным полюсом, в то время как в большинстве случаев для современного оборудования необходимо питание с заземлённым отрицательным полюсом. Медицинское оборудование должно соответствовать жёстким требованиям по изоляции пациента и величинам токов утечки, которые определяются стандартами IEC60601. Для обеспечения такой развязки в преобразователях используют трансформаторы. Огромное разнообразие требуемых параметров и большое количество представленных на рынке преобразователей делают абсолютно необходимой процедуру тщательного сравнения указанных в справочниках характеристик. И в процессе консультаций с поставщиком особое внимание следует обращать на точное и одинаковое понимание требований, которые заказчик и поставщик предъявляют к источнику питания. Только тогда можно получить действительно эффективное устройство — как в отношении его технических характеристик, так и в отношении стоимости.

POL-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ: ОДИН НА ВСЕХ ДИРК ГЕРКЕ (DIRK GEHRKE), менеджер по маркетингу силовых устройств, Texas Instruments ДЖЕФФ ШЕРМАН (JEFF SHERMAN), инженер, Texas Instruments .

В статье рассматриваются возможности повышения эффективности и реализации дополнительной функциональности в импульсных преобразователях за счет новейших силовых транзисторов NexFET. ждаются увеличением КПД, снижением размеров и повышением надёжности. НОВОЕ ПОКОЛЕНИЕ КОНТРОЛЛЕРОВ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Контроллеры семейства TPS4030x оптимизированы для повышения КПД преобразования, а также снабжены множеством дополнительных функций, требуемых современными процессорами. В эти контроллеры встроены мощные драйверы, способные быстро переключать внешние МОП-ключи, что позволяет заметно уменьшить величину «мёртвого времени» и увеличить КПД. Встроенный умножитель напряжения с интегрированным в контроллер диодом позволяет и в верхнем плече ключа использовать мощные N-канальные МОП-транзисторы с малым значением сопротивления в открытом состоянии. Контроллеры этого семейства (см. рис. 1) работают при напряжении питания 3…20 В, что позволяет питать их любым стандартным напряжением из ряда 3,3, 5 или 12 В. При этом реализуется метод управления по напряжению. Для существенного снижения уровня электромагнитного излучения в контроллерах используется технология размывания спектра (FSS), что облегчает построение устройств, соответствующих требованиям FCC (американская Федеральная комиссия по средствам связи). В то же время эти контроллеры обеспечивают гибкость их использования, т.к. множество их параметров программируется пользователем, в т.ч. режим мягкого старта (подключением конден-

сатора к выводу EN/SS), порог защиты от перегрузки по току (задаётся резистором, подключённым к выводу LDRV/ OC) и компенсация параметров цепи обратной связи. В процессе работы напряжение, задаваемое резистором, который подключён к выводу LDRV/OC, сравнивается с напряжением на резистивном датчике тока, включённом между истоком нижнего МОП-ключа и землёй для фиксации момента превышения током допустимого предела и выключения ключа. При превышении порога контроллер переходит в режим ограничения тока, из которого выходит при устранении неисправности. ПРОБЛЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭМС

Одной из самых больших проблем использования импульсных источников питания является высокий уровень излучаемых помех, связанный с большими скоростями изменения токов и напряжений. Если традиционные приёмы тщательного экранирования и фильтрации не помогают, применяется технология размывания спектра. Например, включение резистора с сопротивлением 267 кОм ±10% между выводами BP и EN/SS контроллера TPS40303x позволяет реализовать систему частотной модуляции тактового генератора с девиацией не менее 12% от номинала, причём модуляция осуществляется треугольным сигналом с частотой 25 кГц. При этом в выходном спектре появляется множество побочных составляющих, а энергия излучения размывается по большому числу

Рис. 1. Упрощённая схема включения TPS4030x

Электронные компоненты №2 2011

23 М ИКРОС ХЕМЫ С ИЛ О ВО Й ЭЛ ЕК ТРОН ИКИ

Энергоэффективность — один из важнейших факторов при проектировании практически любой современной системы. Создатели приборов вынуждены постоянно искать новые способы снижения энергопотребления. В недавнем прошлом основные усилия в этом направлении прилагались в отношении устройств с автономным питанием. Однако в последнее время эта тенденция распространилась и на питаемое от сети оборудование. «Экологичность» превратилась из чисто рекламной погремушки в устойчивую рыночную тенденцию, которая распространилась на всё поле решений для силовой электроники. В этой статье рассматриваются возможности повышения эффективности и расширения функционала импульсных преобразователей постоянного тока с помощью последнего поколения силовых МОПтранзисторов NexFET. На рынке представлено множество преобразователей, рассчитанных на преобразование входного напряжения 3,3, 5 или 12 В в напряжение питания процессорного ядра. Однако они могут не соответствовать требованиям, предъявляемым современными высокопроизводительными процессорами. По мере роста производительности и совершенствования технологии изготовления напряжение питания процессорного ядра падает до величин менее 1 В, в то время как потребляемые токи растут до десятков, а иногда и сотен ампер. Такое изменение параметров процессоров должно сопровождаться совершенствованием систем питания. Мы рассмотрим эти усовершенствования подробнее, чтобы продемонстрировать преимущества новых контроллеров и силовых МОП-ключей. Стоит отметить, что эти устройства используют керамические фильтрующие и блокировочные конденсаторы для уменьшения наводок и электромагнитного излучения, обеспечивают точную регулировку выходного напряжения и, наконец, поддерживают использование блоков предварительно заряженных конденсаторов в процессе запуска. Все перечисленные достижения сопрово-

Рис. 2. Уменьшение уровня ЭМИ в режиме размывания спектра

Рис. 3. Подача ненулевого напряжения питания на ядро в системе с двумя источниками

МИ КРО С Х ЕМЫ С ИЛ ОВОЙ ЭЛ ЕК Т РОН ИКИ

24 Рис. 4. Типичные структуры МОП-транзисторов, выполненных по разным технологиям

компонент. В результате пиковое значение мощности излучения на отдельных частотах падает, что существенно облегчает прохождение контроля на уровень излучения. В действительности подобный приём обеспечивает падение максимума излучения на высоких частотах на 10 дБ (см. рис. 2). ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЗАДАННОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ВКЛЮЧЕНИЯ

Большинство производителей процессоров требуют подавать питание на

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ядро и интерфейсные узлы в определённой последовательности, приводя в справочниках соответствующие временные диаграммы. Вариантов подачи напряжения питания существует несколько: последовательная, взаимозависимая или одновременная. Кроме того, в некоторых случаях требуется в течение определённого времени поддерживать промежуточные значения напряжения питания. Реализовать последовательное включение источников питания ядра и интерфейсных схем при малом време-

ни задержки между ними с помощью контроллеров TPS4030x довольно просто: для этого достаточно соединить вывод PGOOD контроллера, который должен включаться первым, с выводом EN/SS другого контроллера. Для установления пропорциональной зависимости между нарастающими напряжениями питания двух преобразователей выводы EN/SS нескольких контроллеров объединяются. В этом случае один конденсатор, задающий параметры мягкого старта, будет заряжаться несколькими источниками тока. При этом все контроллеры начнут процесс старта одновременно и одновременно выйдут на номинальный режим. Для некоторых процессоров требуется подача ненулевого напряжения на ядро при появлении питания на интерфейсных узлах, даже если преобразователь питания ядра не включился. На рисунке 3 приведён пример временной диаграммы для этого случая. Производители процессоров для такого сценария рекомендуют использовать диоды, выделенные на схеме красным цветом. При этом обеспечивается минимальная задержка в подаче питания на оба узла. При использовании в таких схемах синхронных понижающих преобразователей необходимо обеспечить выключение нижнего МОП-ключа в процессе запуска, т.к. в противном случае вывод питания ядра будет замкнут на землю. Это может привести к выходу из строя диодов формирователя промежуточного напряжения. После включения преобразователя, обеспечивающего питание ядра, напряжение на соответствующем выводе возрастёт до требуемого значения, и диоды закроются. Однако тот же сценарий может реализоваться и при коротком замыкании в фильтрующих конденсаторах. В системах с несколькими питающими напряжениями это может вызвать серьёзные повреждения встроенной в процессор защиты от статического электричества. Чтобы этого избежать, в таких системах следует использовать контроллеры, в которых МОП-ключ синхронного выпрямителя в процессе запуска блокируется в выключенном состоянии, тогда как паразитный диод МОП-структуры при необходимости обеспечит путь для тока. МОП-ТРАНЗИСТОРЫ NEXFET ОБЕСПЕЧИВАЮТ ПОВЫШЕННЫЙ КПД

В 1980-х гг. доминирующей технологией при изготовлении МОПтранзисторов была планарная (см. рис. 4). К концу 1990-х гг. большинство производителей перешло на использование тренч-технологий, имевших явное преимущество перед планар-

ВЫВОДЫ

Рис. 5. Зависимость КПД преобразователя на базе 600-кГц TPS40304 от тока нагрузки при разных входных напряжениях

ной в плане снижения сопротивления. Основная идея состояла в том, что уменьшение сопротивления ключей в открытом состоянии позволяло получать большие выходные токи при питании точечных нагрузок. Однако тренч-структуры имеют и недостатки, состоящие в высокой ёмкости между затвором и истоком, а также между затвором и стоком (эффективное значение последней при этом значительно больше статического из-за эффекта Миллера). Большие ёмкости означают большие заряды, которые приходится переносить в процессе переключения, что существенно увеличивает потери в драйверах и самих МОП-ключах. В результате приходилось ограничивать

рабочие частоты преобразователей, из-за чего снижалась их эффективность. В 2007 г. появились мощные МОПтранзисторы семейства NexFET. Эта технология позволяла достичь столь же малого сопротивления открытого ключа, что и в тренч-структурах, но при существенно меньших емкостях затвора. Таким образом, такие показатели как Rds(on)∙Qg и Rds(on)∙Qgd удалось снизить на 50%. Улучшение этих характеристик позволяет при тех же рабочих частотах значительно увеличить КПД преобразователей. Кроме того, эта технология обеспечивает повышение рабочих частот и улучшение массогабаритных характеристик преобразователей.

Соединение преимуществ современных контроллеров импульсных преобразователей и мощных МОПключей, выполненных по технологии NexFET, обеспечивает высокую эффективность и позволяет оснастить преобразователи всеми дополнительными функциями для работы с процессорами с несколькими источниками питания (см. рис. 5). Такие преобразователи имеют КПД более 90% при выходном токе 20 А и частоте преобразования 600 кГц. При этом КПД остается практически постоянным при изменении тока нагрузки в очень широких пределах, что вызвано малыми потерями на переключение в NexFET-ключах и контроллере. КПД остаётся достаточно высоким и при переходе от входного напряжения 3,3 В к напряжению 12 В. В то время как в обычных преобразователях при нагрузках менее 5 А и питании от 12-В источника КПД значительно снижается, малые потери NexFET-ключей позволяют избежать такого падения эффективности. ЛИТЕРАТУРА 1. Dirk Gehrke and Jeff Sherman. Point-ofLoad: One for All//www.eetimes.com/General/ DisplayPrintViewContent?contentItemId= 4019576.

Справочные страницы. Соответствие единиц мощности дБм и Вт

МИ КРО С Х ЕМЫ С ИЛ ОВОЙ ЭЛ ЕК Т РОН ИКИ

26

дБм

Вт

дБм

Вт

дБм

Вт

дБм

Вт

дБм

Вт

дБм

Вт

30,0

1,00

38,6

7,24

47,2

52,50

52,9

195,00

57,2

525,00

61,5

1410,00

30,2

1,05

38,8

7,59

47,4

55,00

53,0

200,00

57,3

537,00

61,6

1450,00

30,4

1,10

39,0

7,94

47,6

57,50

53,1

204,00

57,4

550,00

61,7

1480,00

30,6

1,15

39,2

8,32

47,8

60,30

53,2

209,00

57,5

562,00

61,8

1510,00

30,8

1,20

39,4

8,71

48,0

63,10

53,3

214,00

57,6

575,00

61,9

1550,00

31,0

1,26

39,6

9,12

48,2

66,10

53,4

219,00

57,7

589,00

62,0

1580,00

31,2

1,32

39,8

9,55

48,4

69,20

53,5

224,00

57,8

603,00

62,1

1620,00

31,4

1,38

40,0

10,00

48,6

72,40

53,6

229,00

57,9

617,00

62,2

1660,00

31,6

1,45

40,2

10,50

48,8

75,90

53,7

234,00

58,0

631,00

62,3

1700,00

31,8

1,51

40,4

11,00

49,0

79,40

53,8

240,00

58,1

646,00

62,4

1740,00

32,0

1,58

40,6

11,50

49,2

83,20

53,9

245,00

58,2

661,00

62,5

1780,00

32,2

1,66

40,8

12,00

49,4

87,10

54,0

251,00

58,3

676,00

62,6

1820,00

32,4

1,74

41,0

12,60

49,6

91,20

54,1

257,00

58,4

692,00

62,7

1860,00

32,6

1,82

41,2

13,20

49,8

95,50

54,2

263,00

58,5

708,00

62,8

1910,00

32,8

1,91

41,4

13,80

50,0

100,00

54,3

269,00

58,6

724,00

62,9

1950,00

Окончание см. на с. 84.

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ОБРАТНОХОДОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ СВЕТОДИОДНОГО ОСВЕЩЕНИЯ С РЕГУЛИРОВКОЙ ЯРКОСТИ НА БАЗЕ ТРИАКА МИХАЭЛЬ ВАЙРИХ (MICHAEL WEIRICH), инженер, Fairchild Global Power Resource Center Europe

В статье описывается схема обратноходового преобразователя с высоким коэффициентом мощности для систем светодиодного освещения с возможностью использования стандартных диммеров для регулировки яркости светодиодов на базе триака. Статья представляет собой перевод [1]. водимости (Discontinuous Conduction Mode — DCM), когда MOSFET включается только после того, как ток в диоде DRect падает до нуля, и непрерывном режиме проводимости (Continuous Conduction Mode — CCM), когда MOSFET включен при наличии тока через диод DRect. Иногда встречается третий режим — граничный режим проводимости (Boundary Conduction Mode — BCM), когда MOSFET всегда включается сразу после того, как ток через диод становится равным нулю. Из названия этого режима следует, что режим BCM — граничный между режимами DCM и CCM. Используя соответствующий метод управления и сделав некоторые изменения во входной цепи, можно обеспечить почти идеальное соответствие входного тока обратноходового преобразователя входному напряжению. Другими словами, для сети ОП будет являться почти активной нагрузкой. При реализации ОП с высоким коэффициентом мощности используются, главным образом, два метода управления. Первый метод — это хорошо известная из литературы схема, использующая BCM-контроллер с коррекцией коэффи-

циента мощности. При таком подходе нужно обеспечить высокое напряжение VDS для того, чтобы достичь коэффициента мощности, близкого к 1. При втором, менее известном подходе, источник питания работает в режиме DCM при постоянной частоте коммутации fS и рабочем цикле, который является постоянным, по крайней мере, в течение одного полупериода сетевого напряжения. В этом случае коэффициент мощности хотя бы теоретически может достичь единицы без увеличения VDS. На рисунке 2 показаны временные соотношения работы обратноходового преобразователя с коррекцией коэффициента мощности в режиме DCM во время одного полупериода сетевого напряжения. Поскольку время включения MOSFET поддерживается постоянным, пиковое значение тока стока точно отслеживает форму входного напряжения. Из-за постоянной частоты fS усреднение импульсного входного тока (с помощью фильтра электромагнитных помех источника питания) дает форму сигнала тока, пропорциональную входному напряжению. На рисунке 2 также показано,

ВЫБОР ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Для изолированных источников питания мощностью до 100 Вт чаще всего применяют обратноходовые преобразователи (ОП) из-за их простоты (см. рис. 1). Принцип действия ОП хорошо известен, и мы не будем останавливаться на его описании. Обычно импульсные источники питания могут работать в двух различных режимах: прерывистом режиме про-

Рис. 1. Упрощенная схема импульсного источника питания на базе обратноходового преобразователя

Электронные компоненты №2 2011

27 М ИКРОС ХЕМЫ С ИЛ О ВО Й ЭЛ ЕК ТРОН ИКИ

Светодиоды для приложений общего освещения чрезвычайно популярны и быстро совершенствуются. Их допустимая мощность увеличивается. Сегодня на рынке можно найти многокристальные модули мощностью до 100 Вт. Международные стандарты, подобные EN 61000-3-2, регламентируют обязательную коррекцию коэффициента мощности для входной мощности свыше 25 Вт. В новой директиве программы Energy Star для твердотельного освещения требуется, чтобы коэффициент мощности был не менее 0,9 для мощности свыше 3 Вт. Хотя это значение достигается с помощью пассивной коррекции коэффициента мощности, целесообразно найти эффективное решение, с помощью которого можно получить лучшие характеристики и массогабаритные показатели. Обратноходовой преобразователь, который управляется так, чтобы входной ток имел почти идеальную синусоидальную форму, может быть наиболее экономичным решением, когда необходимо обеспечить изоляцию между входом и выходом. Кроме высокого значения коэффициента мощности необходимыми условиями являются также высокая эффективность и длительный срок службы, сопоставимый со сроком службы светодиодов.

Рис. 2. Временная диаграмма работы и токи в обратноходовом преобразователе с коррекцией коэффициента мощности в режиме DCM

что источник питания работает в граничном режиме на максимуме линейного напряжения, хотя он переходит глубже в DCM-режим, когда линейное напряжение падает до нуля. Этот метод достижения высокого коэффициента мощности может быть идеально реализован с помощью ШИМ-контроллера напряжения. При этом режим DCM будет обеспечиваться путем подбора величины индуктивности трансформатора. Когда используется контроллер напряжения, то входное напряжение, которое служит опорным источником для пикового тока стока MOSFET, не требуется. С другой стороны, контроллер тока имеет много преимуществ для стандартных автономных приложений, поэтому современный контроллер напряжения для автономных приложений на рынке найти непросто. Решением может стать применение одного из готовых контроллеров тока с постоянной частотой коммутации (например, FAN6862) и использование входного напряжения в качестве опорного для пикового тока ключа, как в контроллере с коррекцией коэффициента мощности FAN7527. Как и для FAN7527, в этом случае понадобится устройство умножения, т.к. синусоидальный опорный сигнал должен быть модулирован сигналом обратной связи для того, чтобы стабилизировать выходное напряжение или ток. МИ КРО С Х ЕМЫ С ИЛ ОВОЙ ЭЛ ЕК Т РОН ИКИ

28

К счастью, есть простой способ сделать контроллер напряжения из контроллера тока. В обоих типах контроля выход усилителя ошибки сравнивается с линейно нарастающим сигналом, чтобы сгенерировать ШИМ-сигнал ключа. В токовом режиме этот линейно нарастающий сигнал генерируется прямо из тока ключа, а в режиме напряжения он формируется встроенным генератором с пилообразным выходным сигналом. Когда нарастающий сигнал, который поступает на токочувствительный вход контроллера тока, подается от генератора пилообразного сигнала вместо шунтирующего резистора, контроллер работает как раз в режиме напряжения. Конечно, линейный нарастающий сигнал должен быть синхронизирован с внутренним генератором кристалла. Как показано на рисунке 3, это можно реализовать с помощью устранения соединения между токочувствительным шунтирующим резистором R2 и токочувствительным входом контроллера тока и введением цепи R1, C1 и Q2.

Q2 — это p-канальный JFET со встроенным каналом, который соединяет токочувствительный вход с землей, когда потенциал на его затворе находится в состоянии низкого уровня. Когда внутренний генератор инициирует цикл переключения, выходное напряжение контроллера повышается до напряжения, равного примерно 15 В, включая Q1 и выключая Q2. Тогда конденсатор C1 заряжается через R1 от напряжения питания кристалла, передавая почти линейно нарастающее напряжение на токочувствительный вход контроллера. Как только линейно нарастающее напряжение достигает уровня, установленного цепью обратной связи, ШИМкомпаратор переключается и запускает драйвер затвора. Теперь Q1 — выключен, а Q2 снова включен и разряжает C1. Ясно, что рабочий цикл каждого периода переключения зависит только от напряжения обратной связи, а не от тока через Q1: контроллер работает как ШИМ-контроллер напряжения.

Рис. 3. Превращение ШИМ-контроллера тока в ШИМ-контроллер напряжения

WWW.ELCOMDESIGN.RU

КВАЗИРЕЗОНАНСНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ

Рассмотренный обратноходовой преобразователь — это так называемый преобразователь с жестким переключением (hard switching). Это означает, что MOSFET выключается, когда ток стока имеет большую величину, и включается, когда напряжение стока велико. Поскольку спадающий/возрастающий ток и возрастающее/спадающее напряжение перекрываются в каждом цикле переключения, их произведение не является пренебрежимо малым, и рассеивается заметная величина мощности, которую называют потерями на переключение при каждом переходном процессе. В обратноходовом преобразователе в режиме DCM ток отсутствует, когда включается MOSFET, но внутренняя емкость транзистора CDS должна быть разряжена, а энергия, накопленная на этой емкости, должна быть рассеяна. Если учесть, что накопленная энергия равна 0,5×CDS×VDS2, то становится ясным, что лучше всего включать MOSFET при как можно меньшем значении VDS. Можно заметить, что в обратноходовом преобразователе с жестким переключением, работающем в режиме DCM, наблюдаются колебания напряжения стока сразу после полной передачи энергии во вторичную цепь и размагничивания трансформатора. Эти колебания вызываются индуктивностью в первичной цепи трансформатора LP и емкостью сток-исток CDS MOSFET. Квазирезонансная топология контролирует сигналы на стоке транзистора и детектирует минимум этих колебаний при включении MOSFET. При таком методе потери на переключение снижены и могут быть уменьшены за счет увеличения напряжения VDS при выключении. Не углубляясь в детали, можно сказать, что недостаток традиционного метода квазирезонансной коммутации заключается в увеличении частоты коммутации при уменьшении нагрузки, поскольку коммутация синхронизируется также с процессом размагничивания трансформатора. Последнее происходит тем быстрее, чем ниже уровень тока нагрузки. Даже если при квазирезонансной коммутации потери на переключение снижаются, работа на высокой частоте при малой нагрузке в таких условиях ухудшает баланс нагрузки. Вследствие этого современные квазирезонансные контроллеры используют улучшенный механизм детектирования минимального напряжения стока. Например, в FAN6300A имеется определенное минимальное время, равное 8 мкс, когда схема синхронизации блокирована. Только по истече-

нии этого времени возможно детектирование следующего минимального напряжения стока. В результате происходит детектирование не первого, а «энного» минимума напряжения стока. Если это минимальное время ожидания увеличивается при уменьшении уровня обратной связи, т.е. при уменьшении нагрузки, то можно еще уменьшить частоту коммутации, что позволяет получить высокую эффективность при малом токе нагрузки. СТАБИЛИЗАЦИЯ В ПЕРВИЧНОЙ ЦЕПИ

Светодиоды управляются постоянным током. Это обычно достигается за счет обратной связи по току с помощью схемы с оптической развязкой (см. рис. 1). Стандартным способом реализации такой схемы является использование операционных усилителей, которые нуждаются в стабилизированном напряжении питания, что существенно усложняет вторичную цепь. Помимо этого, оптопара — это компонент с ограниченным сроком службы при повышенной температуре, которая обычно наблюдается в типичных балластных приложениях. Методом, который исключает необходимость использования сложной схемы во вторичной цепи и увеличивает срок службы устройства из-за отсутствия оптопары, является так называемая стабилизация в первичной цепи. При таком методе используется тот факт, что два различных выходных напряжения обратноходового преобразователя определяются, в основном, коэффициентом трансформации,

равным отношению числа витков первичной и вторичной обмоток трансформатора. Если один из выходов, скажем тот, который генерирует VCC для ШИМ-контроллера, стабилизирован, другие будут также относительно стабильными. Когда речь идет о стабилизации выходного тока, то ситуация становится немного сложнее. Базовый расчет показывает, что время включенного состояния MOSFET должно меняться пропорционально квадратному корню напряжения нагрузки, чего достичь не так просто. Если изменение напряжения нагрузки ограничено более узким диапазоном, как в случае светодиода, то допустима линейная аппроксимация квадратного корня напряжения. Как это реализуется, становится понятным, если рассмотреть работу полной схемы светодиодного балласта. ПОЛНАЯ СХЕМА СВЕТОДИОДНОГО БАЛЛАСТА

Работу реальной схемы можно рассмотреть на примере принципиальной схемы, показанной на рисунке 4. Слева показаны фильтр электромагнитных помех и выпрямитель. Металлооксидный варистор (МОВ) на входе ограничивает броски напряжения линии. Конденсатор C102 после выпрямителя имеет относительно малую емкость, чтобы обеспечить предполагаемое высокое значение коэффициента мощности. В результате, на входе реального обратноходового преобразователя не постоянное напряжение, а сигнал, состоящий из положительных

полуволн, повторяющий форму линейного напряжения. Контроллер FAN6300A имеет встроенную схему запуска, которая может быть непосредственно подсоединена к выпрямляемому напряжению сети. При запуске конденсатор C105 заряжается примерно до 15 В, и контроллер начинает функционировать. Вместе с этим для того, чтобы ограничить рассеивание мощности, блокируется встроенная схема запуска. Когда контроллер находится в активном состоянии и запускает MOSFET Q101, напряжение питания генерируется на соответствующей обмотке трансформатора через D103 и отфильтровывается на конденсаторе C111. Поскольку напряжение на последней обмотке трансформатора пропорционально напряжению на стоке, сигнал синхронизации для квазирезонансного переключения может быть сформирован из этого напряжения. Как упоминалось выше, входное напряжение меняется от нуля до максимального напряжения линии, так же как и синхронизирующий сигнал. Цепь R105 и D107 формирует стабилизированный сигнал в течение всей полуволны. Выходное напряжение стабилизируется с помощью цепи D104, R101 и Q103, а конденсатор C107 используется для частотной компенсации цепи обратной связи. Когда балласт работает в режиме постоянного тока, напряжение на выводе обратной связи ограничивается резистором R109. Схема, которая служит для перевода контроллера в режим стабилизации напряжения, показана справа внизу на

МИ КРО С Х ЕМЫ С ИЛ ОВОЙ ЭЛ ЕК Т РОН ИКИ

30

Рис. 4. Полная электрическая схема светодиодного балласта с высоким коэффициентом мощности и возможностью регулировки яркости

WWW.ELCOMDESIGN.RU

рисунке 4. В отличие от рисунка 3, в ней конденсатор заряжается от источника тока, который увеличивает ток заряда, когда входное напряжение, и, следовательно, VCC падает. Это обеспечивает линейное снижение времени включенного состояния при уменьшении выходного напряжения, что весьма точно аппроксимирует постоянный ток на выходе. Частота коммутации равна 100 кГц, что обеспечивает передачу энергии с помощью трансформатора типа EF20. Цепь R111A, R110, C108 и D106 обеспечивает защиту от перегрузки по току для Q101 и является бездействующей в нормальном режиме работы. Во вторичной цепи имеются два выхода: первый (14 В/1,4 А) — для управления светодиодным модулем, второй (5 В/0,2 А) — для вентилятора, встроенного в радиатор светодиодного модуля. Их суммарная выходная мощность — 21 Вт. Как уже было сказано, рабочий цикл должен быть практически постоянным в течение полуволны сетевого напряжения, т.е. цепь обратной связи должна иметь низкое быстродействие с частотой перегиба ниже 25 Гц. Это достигается с помощью достаточно высоких емкостей конденсаторов C105 и C111. Медленная реакция цепи обратной связи не является проблемой, т.к. светодиод — не слишком динамичная нагрузка. Схема балласта была смонтирована на двух печатных платах, которые помещаются в цилиндр диаметром 48 мм и высотой 42 мм. Эти печатные платы спроектированы так, чтобы их можно было разместить на радиаторе Nuventix MR16. При напряжении на входе 230 ВRMS и выходной мощности 21 Вт была получена эффективность 85%. Из-за относительно высокого выходного тока каскад выпрямления во вторичной цепи является одним из основных источников потерь мощности. Если балласт спроектировать для работы с более высоким выходным напряжением и более низким током, эффективность слегка повысится. Как показали измерения на схеме, коэффициент мощности составил 0,98, а общие гармонические искажения входного тока — 7%. Осциллограммы входного напряжения и тока показаны на рисунке 5. РЕГУЛИРОВКА ЯРКОСТИ

Поскольку балласт работает в режиме напряжения и имеет особую цепь обратной связи, выходная мощность пропорциональна среднеквадратичному значению входного напряжения. Если входное напряжение уменьшится, то выходная мощность, а точнее говоря, яркость свечения светодиодов также уменьшится. Балласт был протестирован совместно с электронными диммерами различных типов. Так называемые tronic-диммеры (или диммеры с отсечкой фазы), которые

Рис. 5. Осциллограммы входного напряжения (CH1) и тока (CH3) балласта

предназначены для использования с электронными трансформаторами для галогенных ламп, работают отлично, т.к. коммутирующим элементом в них является не триак, и его работа не связана с определенной величиной тока удержания. Многие стандартные диммеры на базе триака с отсечкой фазы также работают хорошо, хотя в этом случае ситуация сложнее. Поскольку для работы триаков требуется определенный ток удержания, который связан с минимальной управляемой мощностью, те диммеры, которые имеют малую величину минимальной мощности (например, в 20 Вт), подходят лучше, чем диммеры с высоким значением минимальной мощности. В действительности это не отличается от использования ламп накаливания с диммерами на базе триака. Но поскольку 20-Вт светодиоды могут быть использованы вместо 75-Вт ламп накаливания, могут возникнуть трудности при встраивании диммера, рассчитанного на минимальную нагрузку 50 Вт. Другой проблемой при работе с некоторыми диммерами может стать переходный процесс в виде затухающих колебаний («звон») на входном фильтре и конденсаторе C102, что может вызвать аварийное отключение и перезапуск триака. В этом случае помогает гасящая цепь, состоящая из резистора номиналом 470 Ом/2 Вт, последовательно включенного с пленочным конденсатором номиналом 100 нФ/400 В. Эту цепь следует вводить только при необходимости, т.к. она рассеивает некоторую мощность и ухудшает эффективность устройства. ЛИТЕРАТУРА 1. Michael Weirich. Triac Dimmable Primary Side Regulated Flyback // LED Professional, Jan/Feb 2011.

М ИКРОС ХЕМЫ С ИЛ О ВО Й ЭЛ ЕК ТРОН ИКИ

31 СОБЫТИЯ РЫНКА | НОВОЕ ИМЯ: TYCO ELECTRONICS СТАЛА TE CONNECTIVITY | Фирма Tyco Electronics со штаб-квартирой в Швейцарии решила изменить название на TE Connectivity Ltd. Утверждение швейцарскими органами ожидается к концу месяца. Биржевое сокращение (NYSE), а именно — TEL — остается неизменным. По утверждению исполнительного директора Тома Линча (Tom Lynch), новое название фирмы лучше отражает профиль предприятия. TE Connectivity предлагает пассивные элементы, электромеханику и аналоговые компоненты. В общей сложности это свыше 500 тыс. продуктов, продажи которых обеспечили годовой оборот в размере 12,1 млрд долл. www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №2 2011

LDO-стабилизаторы напряжения ON Semi. Выбор и применение ИРИНА РОМАДИНА, менеджер по продукции компании ON Semiconductor, «Компэл» Доминирующим направлением компании ON Semiconductor остается управление питанием (Power Management). В этой категории линейные регуляторы традиционно являются одними из самых востребованных на современном рынке полупроводниковой продукции. Особым спросом пользуются линейные стабилизаторы с малым падением напряжения LDO (Low DropOut), которых в номенклатуре ON Semiconductor насчитываются десятки типов. Основными преимуществами LDO-стабилизаторов напряжения ON Semi является их широкая номенклатура для различных приложений, высокое качество и надежность при невысоких ценах.

32

История микросхем интегральных стабилизаторов напряжения начинается с 1967 г. С тех пор интегральные стабилизаторы напряжения являются неотъемлемой частью современной радиоэлектронной аппаратуры, характеристики которой в значительной степени определяются точностью и стабильностью питающих напряжений. Стабилизаторы с малым падением напряжения используют в качестве регулирующего элемента биполярный PNP-транзистор или полевой транзистор (одиночный либо составной). Падение напряжения в этом случае составляет десятые доли вольта, что, безусловно, расширяет область применения LDO-стабилизаторов. В настоящее время в номенклатуре ON Semi несколько десятков типов LDO-стабилизаторов, отличающихся величиной минимального напряжения, диапазоном рабочих выходных токов и входного напряжения, числом каналов, уровнем шумов, а также наличием дополнительных функций. Каждый квартал в номенклатуре появляются новые микросхемы LDO. Целью новых разработок является: расширение номенклатуры для успешной конкуренции во всех нишах, снижение цены, а также разработка новых типов по новым технологиям для адекватной замены морально устаревших позиций. Выпускаемые промышленностью современные LDOстабилизаторы можно условно разделить на несколько групп в соответствии с их параметрами и областью применения: – типовые с фиксированным и регулируемым выходным напряжением; – экономичные (с малым статическим током); – со сверхмалым (Ultra LDO — 200 мВ и менее) падением напряжения; – прецизионные с точностью установки выходного напряжения выше 1%; – быстродействующие (с быстрым откликом); – многоканальные (сдвоенные и т.д.); – специализированные с дополнительными сервисными функциями. Такие сервисные устройства как схемы защиты от перегрузки по току и перегрева, а также схемы отключения нагрузки при повышении и понижении выходного напряжения стабилизатора, в настоящее время являются стандартными и используются в большинстве LDO. У стабилизаторов, предназначенных для работы в устройствах с батарейным питанием, делается защита по входу от переполюсовки и значительного превышения входного напряжения при неправильном подключении элементов питания. Ряд микросхем имеет управляющий вход On/Off (Shutdown) установки дежурного режима (Sleep Mode), в котором отключается выходное напряжение и существенно снижается ток потребления. Во многих современных

WWW.ELCOMDESIGN.RU

типах LDO введена и защита от протекания обратного тока (Reverse Bias Protected). Этот нежелательный эффект возникает при резком падении напряжения на входе до нуля и его сохранении на выходе за счет конденсатора. В стабилизаторе с биполярными регулирующими транзисторами ток в этом случае начнет протекать через p-n-переход от выхода к входу. Защита реализована за счет введения дополнительного транзистора, который принудительно разряжает выходную емкость стабилизатора при уменьшении входного напряжения ниже порога. КЛАССИФИКАЦИЯ LDO

По области применения LDO-стабилизаторы разделяются на универсальные (Multi-market) и стабилизаторы для приложений с расширенным температурным диапазоном (исполнение Automotive). LDO класса Automotive предназначены не только для автомобильных и транспортных приложений, но и для любых приложений с жесткими условиями эксплуатации. На рисунке 1 представлена номенклатура универсальных LDO-стабилизаторов напряжения компании ON Semiconductor. Особый интерес представляют новые изделия, появившиеся на рынке в последние годы. Любое новое изделие выводится на рынок с целью либо восполнить пробел в существующей линейке, либо заменить имеющееся изделие новым с улучшенными параметрами, востребованными в современных приложениях. Эффективность LDO может проявляться при малом падении напряжения между входом и выходом. Другое преимущество LDO перед импульсными источниками напряжения — отсутствие импульсных помех и низкий уровень ЭМИ. Основной сектор применения LDO — это, конечно, портативные приборы с батарейным питанием. Другой

Рис. 1. Номенклатура универсальных LDO-стабилизаторов напряжения ON Semi

сектор — вторичные источники для питания процессоров и ПЛИС, в которых требуются разные напряжения питания. В этом случае базовым источником питания устройства, например, является источник 3,3 или 5 В, а напряжения меньшего номинала формируются с помощью LDO..

до 50 мА, могут использоваться LDO в корпусах SOT-23 или SOT-83. На токи 150–300 мА для источников 2,5/2,0 В следует применять LDO в корпусах с большей рассеиваемой мощностью. ИСПОЛНЕНИЕ AUTOMOTIVE

СТАБИЛИЗАТОРЫ ПО ТЕХНОЛОГИИ NOCAP

На выходе первых разработанных LDO-стабилизаторов напряжения для обеспечения устойчивости работы требовалась установка довольно дорогих электролитических конденсаторов Low ESR большой емкости и габаритов. По мере внедрения новых технологий LDO стали появляться микросхемы, в которых не требуется установка конденсаторов Low ESR большой емкости. Вместо них достаточно было установить недорогие и более компактные керамические конденсаторы малой емкости. Этот тип стабилизаторов получил название NoCap. В большинстве случаев для обеспечения устойчивости достаточно установки керамических конденсаторов до 1 мкФ, которые за последнее время не только заметно подешевели, но и уменьшились в размерах. Почти все новые типы LDO не требуют установки на выходе дорогих конденсаторов Low ESR, поэтому практически все современные LDO можно условно отнести к типу NoCap. Однако в номенклатуре LDO сохранилась такая классификация. К ним можно отнести серию NCP552, NCP553, NCV553. Эта серия стабилизаторов напряжения NoCap с фиксированным напряжением предназначена для приборов с батарейным питанием, для которых важен малый ток покоя. Выходной ток стабилизатора составляет –80 мА, а ток покоя — всего 2,8 мкА. В качестве проходного элемента используется мощный транзистор PMOS. Имеется защита от перегрева. Основное достоинство этих устройств в том, что для обеспечения устойчивой работы стабилизатора достаточно установки недорогой керамической емкости на выходе. Стабилизатор может работать и без выходного конденсатора. На входе стабилизатора рекомендуется установить керамическую емкость на 1 мкФ, а на выходе для устойчивости достаточно поставить керамический конденсатор на 0,1 мкФ. Микросхема выполнена в субминиатюрном корпусе для поверхностного монтажа типа SC-82 AB. Она поставляется в версиях с фиксированными выходными напряжениями: 1,5; 1,8; 2,5; 2,7; 2,8; 3,0; 3,3 и 5,0 В. Возможны и заказные исполнения. Дискретность установки напряжения для заказных версий составляет 100 мВ. ПОРТАТИВНЫЕ ПРИБОРЫ С БАТАРЕЙНЫМ ПИТАНИЕМ

Это, несомненно, самый доминирующий сектор, в котором в полной мере могут реализоваться все преимущества LDO — малое падение напряжение, высокое быстродействие, наличие сервисных функций, различные и гибкие режимы энергосбережения. Область применения подобных устройств крайне широка — это мобильные средства связи, портативные компьютеры, устройства питания микроконтроллеров, автономные видеокамеры слежения и т.д. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ LDO В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОМ ОБОРУДОВАНИИ

Как правило, в таком оборудовании используется AC/ DC-преобразователь на выходные напряжения 5 или 3,3 В. Конструкция может содержать базовую плату и интерфейсные мезонинные модули. В базовой (материнской) плате используются напряжения 2,5; 2,0; 1,8 В для питания ядер ПЛИС, DSP или коммуникационных контроллеров, процессоров или трансиверов. На каждом мезонинном модуле могут использоваться свои локальные источники LDO на 2,5/2,0/1,8 В. При невысоком потреблении тока, например,

Микросхемы исполнения Automotive имеют в названии типа префикс NCV. Стабилизаторы для автомобильных приложений выделены в отдельную группу, поскольку область применения накладывает на изделия ряд специфических требований: – максимальное значение входного напряжения не ниже 12 В, что определяется напряжением сети питания автомобиля; – устойчивость к кратковременным броскам напряжения в сети; – широкий диапазон рабочих температур (–40…125°С); – температурный диапазон хранения –65…150°С. Некоторые продукты ON Semi для данного исполнения имеют даже более широкий температурный диапазон. На первый взгляд, использование LDO в автомобильной электронике нецелесообразно: на фоне потребляемого источниками света тока 10…20 А при запущенном двигателе и работе генератора экономия единиц мА не вполне оправдана. Но часть электроники продолжает работать и при выключенном моторе. Это сервисные системы — охранная сигнализация, часы реального времени и т.д. Для питания управляющих микроконтроллеров используются напряжения 3…5 В. Система должна сохранять работоспособность даже при разряде автомобильного аккумулятора ниже порогового уровня, когда энергии и тока недостаточно для работы стартера, или же когда просадка напряжения аккумулятора в момент работы стартера достигает 6 В. При больших токовых нагрузках использование LDO проблематично. В этих случаях лучше применять стабилизаторы напряжения на основе импульсных преобразователей.

5,0-В LDO-СТАБИЛИЗАТОР NCV4949A С ФОРМИРОВАТЕЛЕМ СИГНАЛА RESET И ДАТЧИКОМ ВХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Микросхема NCV4949A стабилизатора LDO на 5 В (см. рис. 2) имеет дополнительные функции, такие как формирование сигнала сброса для микроконтроллера и пороговый датчик входного напряжения. Микросхема предназначена для формирования питания встроенных микроконтроллерных бортовых систем, в частности, автомобильных. Основные параметры: – диапазон входных напряжений: 5,0…28 В; – броски напряжения: до 40 В; – высокоточное выходное напряжение: 5,0 В 1%; – нагрузочная способность: до 100 мА; – падение напряжения на стабилизаторе: менее 0,4 В; – схема формирования сигнала сброса по изменению выходного напряжения; – программируемая задержка импульса сброса; – компаратор низкого входного напряжения; – схема защиты от перегрева и КЗ на выходе. СТАБИЛИЗАТОР NCV8508B С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМИ ФУНКЦИЯМИ RESET, WAKEUP, WATCHDOG

Микросхема NCV8508B имеет исполнения с выходным напряжением 5,0 и 3,3 В. Это микромощный прецизионный LDO-стабилизатор на ток 250 мA. Логика управления микропроцессора включает сигналы сброса RESET (с задержкой), инициализации (Wakeup) и сторожевой таймер (Watchdog). Функция Wakeup пробуждает микропроцессор из режима Sleep. Сигнал Wakeup формируется по таймеру Watchdog. При нормальной работе микропроцес-

Электронные компоненты №2 2011

33

Рис. 2. Структура LDO-стабилизатора NCV4949A

сор производит регулярный сброс сторожевого таймера по входу WDI. Сигнал RESET формируется при уменьшении выходного напряжения ниже 1,0 В. Сигнал RESET активируется и при начальном включении питания. Задержка включения регулируется внешним резистором Rdelay. Ток покоя микросхемы: – 100мкА. Применение: модули управления двигателем, электротранспорт. Основные параметры: – выходное напряжение: версии 5,0 и 3,3 В; – точность выходного напряжения: ±3,0%; – выходной ток: 250 мА;

34 Рис. 3. Диаграмма сигналов управления в режимах PowerUp, Sleep Mode и Normal

– ток покоя не зависит от нагрузки: 100 мкА; – защита: от перегрева, короткого замыкания, бросков входного напряжения до 45 В. На рисунке 3 показаны временные диаграммы сигналов, формируемых на выводах микросхемы. МИКРОСХЕМА NCV8537 С ФУНКЦИЕЙ POWER GOOD

Микросхема LDO-стабилизатора NCV8537 обеспечивает выходной ток 500 мА. Она является модификацией популярной микросхемы NCV8535, сохраняя все лучшие качества предшественника, в т.ч. высокую точность, отличную стабильность работы, низкий уровень выходного шума, защиту от протекания обратного тока. В данной модификации добавлена дополнительная сервисная функция — выходной сигнал Power Good пороговой схемы мониторинга выходного напряжения. Если напряжение становится ниже порога, на выходе PG появляется низкий логический уровень. Диапазон входных напряжений: 2,9…12 В. Микросхема доступна в исполнениях с выходными напряжениями 1,8; 2,5; 3,3; 5,0 В, а также с регулировкой выходного напряжения. Корпус DFN10. Области применения: – сетевые телекоммуникационные устройства, DSL/ кабельные модемы; – аудиосистемы для автомобильных приложений; – навигационные системы; – спутниковые ресиверы. МНОГОКАНАЛЬНЫЕ LDO

Рис. 4. Схема применения стабилизатора CS8363 в структуре микроконтроллера

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Двухканальный 3,3-В микромощный стабилизатор CS8363 с формирователями сигналов ENABLE и RESET На рисунке 4 показана схема применения двухканального стабилизатора CS8363. После подачи напряжения на вход стабилизатора в нем формируется импульсный сигнал начального сброса микроконтроллера, и подается питание по основному каналу. Второй канал стабилизатора обеспечивает питание периферийных устройств, подключаемых к микроконтроллеру. Напряжение на выходе этого канала регулируется. Включение канала питания производится по сигналу ENABLE, формируемому микроконтроллером.

Как можно заметить, в данном типе LDO рекомендуется установка на выходах конденсаторов Low ESR довольно большой емкости — 10 мкФ. В настоящее время на рынке доступны недорогие керамические конденсаторы емкостью 10–20 мкФ, которые можно устанавливать вместо дорогих танталовых или ниобиевых Low ESR. Двухканальный NCP4672 стабилизатор с формированием сигналов сброса NCP4672 имеет два детектора для фиксации напряжения на входе и выходе стабилизатора, что позволяет формировать требуемую последовательность подключения питания для микросхем, в которых используется несколько разных источников напряжения, например, для питания ядра и периферии. На входах и выходах стабилизатора можно устанавливать недорогие керамические конденсаторы емкостью 0,1 и 4,7 мкФ. Трехканальный CMOS LDO NCP4523 для питания ВЧ-модулей Стабилизаторы серии NCP4523 являются многоканальными стабилизаторами с различными напряжениями на выходе и высокой нагрузочной способностью. Токи выходов: 200; 100; 100 мА. Эта серия характеризуется низким уровнем шума выходных сигналов, низким собственным потреблением, высокой степенью подавления импульсных помех. Каждый из трех отдельных модулей содержит свой источник опорного напряжения и резистивный делитель для установки уровня выходного напряжения. Каждый канал имеет защиту от короткого замыкания на выходе и вход разрешения. Установка резистивных делителей производится лазерной подгонкой в процессе производства. Области применения: – питание сотовых телефонов GSM, CDMA и систем персональной связи;

– питание видеокамер, цифровых камер; – питание батарейных приборов. Заводская установка резистивного делителя определяется кодом заказа. В таблице 1 указаны маркировки для трех стандартных версий микросхемы. Пятиканальный LDO MC33765 Микросхема MC33765 имеет пять независимых каналов LDO-стабилизаторов напряжения с ультранизким уровнем выходного шума. Корпус TSSOP-16 предназначен для поверхностного монтажа. Выходные напряжения для всех каналов стабилизаторов MC33765 — одинаковые, 2,8 В. Нагрузочная способность по току — различная, до 150 мА (4-й канал). Падение напряжение составляет около 0,11 В для максимального тока. Очень низкий ток покоя (5,0 мкA в состоянии OFF и 130 мкA — в ON). Канал 3 имеет очень низкий уровень выходного шума. Этот канал можно использовать для питания схемных модулей, чувствительных к уровню шума на шине питания. Для всех каналов реализована защита от короткого замыкания на выходах, имеется также защита от перегрева кристалла. Каждый канал имеет свой сигнал управления активным состоянием. Сигнал Shutdown — общий для всех каналов. Диапазон входных напряжений: 3,0…5,3 В (три батареи с максимальным напряжением до 1,8 В) и до 3,0 В. Таблица 1. Номиналы выходных напряжений и маркировка стандартных версий NCP4523 Устройство

Серийный номер для Выходное напряжение, В Маркировка напряжения VR1 VR2 VR2

NCP4523G1T1

1

2,8

NCP4523G3T1

3

3,0

NCP4523G20T1

20

2,35

B01A B03A 2,8

B20A

Электронные компоненты №2 2011

35

Рис. 5. Структура LDO серии NCP4587x с тремя режимами микропотребления LDO-СТАБИЛИЗАТОРЫ СЕРИИ NCP4587X С ТРЕМЯ РЕЖИМАМИ МИКРОПОТРЕБЛЕНИЯ

36

Микросхемы серии NCP4587x ориентированы на сектор мобильных устройств с батарейным питанием и сверхмалым энергопотреблением. В данной микросхеме добавлены новые функции для более эффективного управления энергопотреблением. Микросхема имеет три режима энергопотребления: дежурный (спящий) режим Standby — 0,1 мкA; малого потребления — 1,0 мкA; номинального потребления — 55 мкA. Диапазон потреблений в различных режимах составляет почти три порядка! Имеется и возможность внешнего управления режимами. Режимный вход AE — разрешение автоматического переключения в Fast Response по заданному фиксированному порогу. В режимах энергосбережения со сверхмалым потреблением динамическое потребление тока отсутствует — стабилизатор работает в режиме Slow Response, обеспечивающем малый собственный ток. При потреблении выше 3 мА стабилизатор переключается в режим Fast Response с несколько большим собственным потреблением, обеспечивающим требуемый уровень отработки динамики выходного тока. Во втором случае микроконтроллер может самостоятельно управлять включением этого режима, что предоставляет дополнительные возможности по экономии энергопотребления. Например, ток может превысить 3 мА, но характер его потребления статический, при котором не требуется динамика. Микроконтроллер, зная об этом, не включает режим с большим собственным потреблением. Стабилизатор имеет малый уровень шума выходного сигнала. Реализована защита от протекания обратного тока — имеется внутренний разрядный транзистор с выхода на вход. Основные параметры: – выходной ток: 150 мA; – диапазон входных напряжений: 1,4…5,25 В; – диапазон выходных напряжений: 0,8…4,0 В (возможна заводская установка любого напряжения в этом диапазоне с шагом 0,1 В); – падение напряжения: 120 мВ при 150 мА (Vout > 2,6 В); – точность установки выходного напряжений: 1% (VOUT > 2 В, TJ = 25°C); – корпуса: 1,2×1,2 мм XDFN, SC-70 или SOT23. Стабилизаторы на типовые напряжения: NCP4587DMU12TCG — 1,2 В; NCP4587DMU18TCG — 1,8 В; NCP4587DMU28TCG — 2,8 В; NCP4587DMU30TCG — 3,0 В; NCP4587DMU33TCG — 3,3 В.

LDO-СТАБИЛИЗАТОР CAT6217 CMOS СО СВЕРХНИЗКИМ ПАДЕНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ 90 МВ

Стабилизатор CAT6217 обеспечивает очень быстрое время реакции на изменение тока в нагрузке и малое время

WWW.ELCOMDESIGN.RU

перехода в активный режим — 150 мкс. Малое время включения позволяет использовать дополнительный проходной конденсатор для уменьшения уровня выходных шумов.

CAT6217 предназначен для использования в батарейных приборах с питанием 2,3…5,5 В. Внутренняя блокировка отключает нагрузку при уменьшении напряжения ниже 2,1 В. Точность установки выходного напряжения CAT6217 — около 1%. Стабильность работы обеспечивает керамический выходной конденсатор 1 мкФ, что позволяет уменьшить площадь на плате и стоимость компонентов. Низкопрофильный (макс. высота — 1 мм) пятивыводной корпус TSOT-23. Основные параметры: – выходной ток: 150 мA; – падение напряжения: 90 мВ при 150 мA; – стабильность при установке керамического конденсатора 1 мкФ на выходе; – внешний проходной конденсатор на 10 нФ для уменьшения шумов; – низкий ток потребления в режиме Shutdown — менее 1 мкА; – варианты исполнения по выходному напряжению на 1,5; 1,8; 2,5; 2,8; 2,85; 3,3 В. МАЛОШУМЯЩИЙ LDO NCP508

Этот тип стабилизатора ориентирован на применения, в которых необходимо обеспечить высокий уровень фильтрации выходного напряжения, например, для ВЧ-подсистем мобильных связных устройств, а также систем с VCO и ФАПЧ. Стабилизатор NCP508 обеспечивает выходной ток 50 мА, имеет малое время перехода в активное состояние и высокий уровень подавления пульсаций напряжения на выходе, защиту от КЗ на выходе и перегрева. Регулирующий элемент — PMOS-транзистор. На выходе достаточна установка только керамического конденсатора. Микросхема выпускается в корпусах SC-88A и WDFN6 (1,5×1,5 мм). Стандартные напряжения: 1,5; 1,8; 2,5; 2,8; 3,0, и 3,3 В. Возможен заказ исполнений с другими выходными напряжениями. Шаг установки напряжений для заказных исполнений — 100 мВ. Основные параметры: – уровень шумов: 39 мкВ (rms); – уровень подавления пульсаций: 70 дБ на 1 кГц; – падение напряжения: 140 мВ при токе 30 мА; – время включения: 20 мкс.

NCP96X И LDO-СТАБИЛИЗАТОРЫ НА 1000 МА

Универсальный LDO-стабилизатор с током нагрузки 1 А использует в качестве регулирующего элемента полевой транзистор. Выпускается в трех модификациях: без сигнала подключения нагрузки (NCP960) и с наличием такого сигнала высокого (NCP961) и низкого (NCP962) уровней. Отличительной особенностью является наличие транзистора (Active Discharge), подключающего выход схемы на землю для форсированного разряда выходного конденсатора при отключении нагрузки. Имеются встроенные защиты: от перегрева кристалла и ограничение тока в нагрузке (защита от КЗ). Дополнительные выходы (флаг ошибки, сброс по включению питания) отсутствуют. Стабилизатор выполнен в шестивыводном корпусе DFN6 размером 3,3 мм. ЛИТЕРАТУРА 1. Е. Звонарев. Стандартные линейные и LDO-стабилизаторы On Semiconductor//Новости электроники. №10. 2008.

2. И. Ромадина. Новые универсальные LDO-стабилизаторы компании ON Semiconductor//Электронные компоненты. №8.

2009.

Выбор наилучшего DC/DC-преобразователя ДЖЕФФ ПЕРРИ (JEFF PERRY), инженер, National Semiconductor

При выборе микросхем управления питания у разработчика зачастую разбегаются глаза от разнообразия вариантов. Описанный в статье алгоритм выбора, созданный в National Semiconductor, поможет принять инженеру правильное решение.

Большое количество предлагаемых на рынке неизолированных DC/DC-преобразователей имеет разные опции, соответствующие источникам питания. У разработчиков есть выбор между функционально законченными модулями DC/DC-преобразователей и встраиваемыми решениями на основе ИС. Из-за стоимости и по ряду других причин встраиваемые решения становятся более популярными. Однако выбор оптимального встраиваемого DC/DC-преобразователя является непростой задачей. Даже если разработчик ограничивается поиском требуемого решения среди изделий одного-единственного поставщика, ему приходится выбирать наилучшую комбинацию ИС и поддерживающих ее компонентов. При заданном наборе требований к входным и выходным параметрам источника питания отыщется более 50 возможных решений. Чтобы определить, какой из вариантов решений лучше всего подходит для конкретного приложения, разработчикам следует определить приоритеты для источников питания, например, такие как низкая стоимость, небольшое посадочное место или высокая эффективность. К сожалению, эти приоритеты часто конфликтуют друг с другом, что усложняет поиск правильного решения. Для решения таких проблем поставщики полупроводниковых компонентов разрабатывают довольно сложные инструменты выбора требуемых изделий, выходящие за пределы простого параметрического поиска и справочных таблиц и переходящие в область проектирования источников питания. Примером таких инструментов является программный продукт WEBENCH Visualizer кампании National Semiconductor, позволяющий в режиме реального времени сравнивать большое количество вариантов различных источников питания. WEBENCH Visualizer представляет результаты поиска в графическом виде, что позволяет быстро найти компромисс среди многих вариантов решений. Описанный в статье пример выбора DC/DC-преобразователя демонстрирует возможности данной программы. ОГРАНИЧЕНИЯ ИНСТРУМЕНТОВ ВЫБОРА ИС

Перед началом проектирования источника питания инженер должен определиться с такими техническими параметрами как диапазон входных напряжений (V IN min, V IN max), выходным напряжением VOUT и током нагрузки I OUT. Затем разработчик должен выбрать регулятор напряжений. Это делается при помощи каталога параметров. Хороший каталог, представленный на веб-сайте производителя, позволяет провести поиск по первоначально указанным параметрам, таким как частота переключения, тип корпуса и другие типичные характеристики. Однако и после этого пользователю

предстоит выбор из большого количества вариантов. Более того, жестко заданные значения параметров не могут определить все требования, поскольку они относятся к регулятору, а не ко всему источнику питания. Например, в случае понижающих преобразователей, когда выходное напряжение незначительно отличается от входного, падение напряжения на источнике питания может оказаться слишком большим для поддержания заданного выходного напряжения в пределах диапазона рабочих характеристик регулятора. Такое падение напряжения следует рассчитать для каждого значения напряжения питания из списка. Для повышающих преобразователей пиковый ток переключения является функцией минимального входного напряжения, выходного напряжения и кпд регулятора. Эту величину также следует вычислить для каждого значения напряжения питания из списка. Для контроллеров следует подобрать подходящие полевые транзисторы, соответствующие заданным в приложении значениям напряжения и тока, сохранив приемлемую эффективность источников питания. И в этом случае расчет ведется для каждого рассматриваемого варианта. И, наконец, пользователю желательно знать ключевые параметры выбранной модели, такие как перечень материалов и компонентов, из которых изготовлено изделие (ВОМ), посадочное место, эффективность и стоимость каждого варианта. Определение всех этих параметров занимает немало времени. Необходимо выбрать ВОМ и провести расчеты токов и величины рассеяния мощности для всех возможных вариантов. Таким образом, для проведения хорошего параллельного сравнения вариантов по значимым параметрам моделей требуется большой объем работы. WEBENCH Visualizer кампании National Semiconductor автоматизирует процесс расчета значимых параметров, необходимых для параллельного сравнения. Эта программа использует для определения ВОМ и расчета рабочих характеристик оптимизированные алгоритмы, что позволяет получить интересующие данные в течение нескольких секунд и сравнить многие варианты моделей источников питания в реальном масштабе времени. ПРИМЕНЕНИЕ WEBENCH VISUALIZER

Для примера рассмотрим приложение, требующее применения понижающего преобразователя с входным диапазоном напряжений 14…22 В, выходным напряжением 3,3 В при токе 2 А. На рисунке 1 показана диаграмма, на которой приведены расчетные значения посадочного места компонента, эффективность и стоимость ВОМ для 48 различных вариантов источников питания, удовлетворяющих таким входным и выходным критериям.

Электронные компоненты №2 2011

37

Рис. 1. Диаграмма эффективности, величины посадочного места и стоимости ВОМ для 48 вариантов источников питания

Рис. 2. Диаграмма эффективности, величины посадочного места и частоты переключения для 48 вариантов источников питания

38

Рис. 3. Диаграмма потерь на переключение в виде функции от времени спада и нарастания. Оранжевые прямоугольники показывают зоны рассеяния мощности, где ток и напряжение не равны нулю. При снижении частоты переключения процентная доля этих зон в периоде переключения уменьшается

Ось у диаграммы соответствует величине посадочного места компонента, ось х — эффективности, а размер кругов соответствует стоимости ВОМ. Полученные результаты существенно различаются: площадь посадочного места варьируется в диапазоне 286—752 мм2, эффективность — 77—91%, а стоимость ВОМ — 2,46—5,52 долл.

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Следует заметить, что модели с небольшими посадочными местами, как правило, отличаются низкой эффективностью, а модели с высоким кпд характеризуются большой площадью посадочного места. Это происходит из-за разницы в частоте переключения. Если увязать размер круга с частотой переключения, получится диаграмма, показанная на рисунке 2. Из рисунка видно, что большая часть моделей, обладающих более высокой частотой переключения (большой размер кругов), находится в нижнем левом углу диаграммы, где расположены источники питания с небольшими размерами посадочных мест, но низкой эффективностью. Если посмотреть в верхний правый угол диаграммы, где расположены модели с большими размерами посадочных мест и с высокой эффективностью, то можно увидеть, что частота переключения ниже (круги меньших размеров). Такие результаты напрямую связаны с потерями на переключение по переменному току. На рисунке 3 показаны диаграммы тока и напряжения в полевом транзисторе за период переключения типового регулятора понижающего преобразователя. В течение времени нарастания и спада, когда ключ включается и выключается, напряжение и ток через транзистор не равны нулю. При этом происходит рассеяние мощности, равное произведению тока на напряжение, как это показано на рисунке оранжевыми прямоугольниками. Времена спада и нарастания сигнала почти не зависят от частоты переключения и являются

практически постоянной величиной. С ростом частоты и уменьшением периода переключения времена спада и нарастания занимают все большую часть периода переключения, что ведет к снижению эффективности. И, наоборот, чем меньше частота переключения и длиннее его период, тем меньшую часть периода переключения занимают времена спада и нарастания, а эффективность выше. На низких частотах переключения необходимо оптимизировать размер посадочного места компонента. В основном, он определяется размером катушки индуктивности. Как показано на рисунке 4, пульсирующий ток через катушку, а, значит, и пиковый ток переключения пропорциональны времени включения и обратно пропорциональны индуктивности в соответствии с уравнением: , где dI — пульсирующий ток через катушку индуктивности; L — индуктивность; V — напряжение, прило-

женное к катушке; t — время включения ключа. При уменьшении частоты время включения увеличивается, и пиковый ток переключения также возрастает при условии, что индуктивность осталась неизменной. Для поддержания заданного значения пикового тока переключения индуктивность необходимо увеличить, что ведет к росту посадочного места катушки индуктивности. Из рисунка 2 видно, что самые подходящие модели расположены в нижнем правом углу, поскольку именно в этой области находятся источники питания с высокой эффективностью и малыми размерами посадочных мест. Но, этого трудно достичь из-за фундаментальных противоречий. Анализируя рисунок, можно также отметить еще одну закономерность: если двигаться в направлении нижнего левого угла, размеры посадочных мест моделей становятся меньше, а их цена снижается. В основном, это связано с тем, что при снижении размеров пассивных компонентов они становятся дешевле. Поскольку многие регуляторы напряжения имеют регулируемую частоту, можно оптимизировать работу

Рис. 4. Для поддержания пикового тока постоянным при снижении частоты переключения индуктивность следует увеличивать. Это ведет к увеличению посадочного места катушки индуктивности

39

Рис. 5. Диаграмма, показывающая оптимизацию моделей источников питания по критерию высокой эффективности. Ось у диаграммы соответствует величине посадочного места компонента, ось х — эффективности, а размер кругов показывает стоимость ВОМ

Электронные компоненты №2 2011

Рис. 6. Диаграмма, показывающая оптимизацию моделей источников питания по критерию малого размера посадочного места. Ось у диаграммы соответствует величине посадочного места компонента, ось х — эффективности, а размер кругов показывает стоимость ВОМ

Таблица 1. Варианты моделей понижающего преобразователя с одним оптимизируемым параметром Оптимизируемый параметр

40

Размер посадочСтоимость Эффективность, % ного места, мм2 ВОМ, долл.

Минимальный размер посадочного места

244

72

2,69

Минимальная стоимость

425

80

2,31

Максимальная эффективность

1246

93

5,06

источника питания, устанавливая более низкую частоту переключения и выбирая пассивные компоненты с меньшим рассеянием мощности, что повышает эффективность. В такой программе как WEBENCH Designer этот выбор осуществляется при помощи одной кнопки, предназначенной для проведения оптимизации и достижения высокой эффективности. На рисунке 5 показана линейка моделей, выбранных по критерию высокой эффективности. Из рисунка видно, что многие современные модели имеют эффективность 90—93%. В то же самое время диапазон варьирования размеров посадочных мест компонентов также увеличился, и его верхняя граница составляет 1800 мм2. При высокой эффективности с этим обстоятельством приходится мириться. Несколько моделей в правой части рисунка, характеризующихся высокой эффективностью, использует контроллеры с внешними полевыми транзисторами. Такие модели могут быть эффективными за счет выбора полевых транзисторов с низким сопротивлением R DS(ON), что позволит снизить потери по постоянному току. При этом потери по переменному току будут небольшими благодаря низкой частоте переключения. Однако при этом из-за трудностей выбора полевых транзисторов могут усложниться схемы контроллеров по сравнению со схемами с интегрированными ключами, а также сложнее станет разводка печатной платы. Модели в правой части рисунка имеют во вторичной цепи синхронные ключи, реализованные на полевых транзисторах, а не на диодах Шоттки. У полевых транзисторов с низким значением R DS(ON) меньше рассеивается мощность по сравнению с диодами, у которых высокий фиксированный уровень падения напряжения в диапазоне 0,4…0,5 В при токах и напряжениях, характерных для работы данных моделей.

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Если сместиться в левую часть диаграммы в сторону снижения эффективности, можно заметить, что некоторые модели не соответствуют общей тенденции уменьшения размеров посадочных мест. Это связано с тем, что данные модели используют компоненты, которые работают с фиксированной частотой, превышающей частоту для моделей в правой части диаграммы. Можно также отметить группу моделей в верхнем левом углу, использующих ключи, которые изготовлены по устаревшим технологиям и имеют низкую эффективность и большие размеры посадочных мест. Данные модели до сих пор считаются востребованными, поскольку некоторые пользователи успешно используют их на протяжении долгого времени, даже идя на очевидные жертвы в виде низкой эффективности и больших габаритов. В противоположном конце спектра можно найти модели с малым размером посадочных мест. На рисунке 6 показаны результаты такого типа оптимизации, проведенной при увеличении частоты и выборе компонентов меньшего размера. Из рисунка видно, что в результате этой оптимизации размеры посадочных мест действительно уменьшились до 244 мм2. В то же время эффективность самой миниатюрной модели уменьшилась приблизительно до 72%. После анализа всех вариантов источников питания для нашего примера были определены пределы оптимизации по критериям размеров посадочных мест, стоимости и эффективности. Эти результаты представлены в таблице 1. Как видно из этих результатов, основные отмеченные выше тенденции остались в силе. Модель с минимальным размером посадочного места имеет наименьшую эффективность, а самая высокая эффективность — у модели максимальных размеров. При этом самая дешевая модель занимает некое промежуточное положение. Задача разработчика заключается в выборе наилучшей модели или в поиске компромисса между параметрами. Таким образом, очевидно, что применение современных средств визуализации и оптимизации, например WEBENCH Designer компании National Semiconductor, позволяет разработчику источников питания быстро проанализировать огромное количество вариантов и найти требуемую модель в течение нескольких минут. В противном случае для решения этой задачи могло бы понадобиться много дней работы, если это вообще было бы возможно.

ВЫБОР ТОПОЛОГИИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ФРЭНК КЭСЕЛ (FRANK CATHELL), инженер по применению, ON Semiconductor

В статье подробно рассмотрены популярные топологии силовых преобразователей: обратноходовая, прямоходовая, мостовая, полумостовая и резонансная. Для каждой из них указаны области применения. Приведены поясняющие схемы и комментарии. Статья представляет собой сокращенный перевод [1]. Когда речь заходит о выборе схемы силового каскада, многие в первую очередь интересуются выходной мощностью. Этот критерий, разумеется, очень важный, но не единственный. Конечно, вряд ли кто-то использует мостовую схему, например в 10-Вт преобразователе, но не всегда задача выбора столь проста, как может показаться. Помимо выходной мощности важны входное и выходное напряжения, выходной ток, тип нагрузки, требуемая энергоэффективность, массогабаритные показатели, изолированный или неизолированный преобразователь. Рассмотрим наиболее часто встречаемые конфигурации силового каскада: прямоходовой, обратноходовой, пушпульный, полумостовой, мостовой, резонансные схемы. ОБРАТНОХОДОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Обратноходовой преобразователь (ОП) (как и прямоходовой преобразователь, ПП) довольно часто встречается при мощностях менее 1 кВт. Одно из его достоинств — очень простая схема (см.

И С Т О Ч Н И К И П И ТА Н И Я

42 Рис. 1. Базовая топология обратноходового преобразователя

Рис. 2. Базовая схема ОП с двумя ключами

WWW.ELCOMDESIGN.RU

рис. 1). Ключевым элементом преобразователя является трансформатор, хотя в данном случае он играет роль накопителя энергии и выполняет функции дросселя — при закрытом ключе вторичная обмотка отдает в нагрузку энергию, которая запасалась при открытом ключе, когда первичная обмотка была подключена к сети. В приведенной схеме обеспечивается гальваническая развязка между первичной и вторичной цепями. ОП удобно применять, когда требуется обеспечить высокое выходное напряжение при относительно малом токе. Конечно, можно использовать эту схему и при низких напряжениях и высоких токах, но следует иметь в виду, что ОП свойственны большие токовые пульсации и пиковые токи, поэтому к компонентам фильтра на низкой стороне предъявляются повышенные требования, отчего их стоимость возрастает. Велики также и пульсации напряжения, поэтому выходной сглаживающий фильтр лучше выбрать типа «пи». При коэффициенте заполнения 50% амплитуда пульсаций тока через выходной конденсатор примерно в 1,6 раза превышает выпрямленный ток нагрузки. Поэтому эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) этого конденсатора должно быть невелико. Это означает, что для надежной работы следует включить параллельно до 5 электролитических конденсаторов или использовать дорогостоящие керамические конденсаторы. Но, скорее всего, придется использовать хотя бы один электролитический конденсатор, причем его сопротивление должно быть достаточно небольшим, чтобы сохранить устойчивость преобразователя. Поэтому при больших выходных токах, например, 5 В, 10 А, следует отдать предпочтение ПП. Индуктивность рассеяния первичной обмотки трансформатора должна быть как можно меньше. При открытом ключе в ней запасается энергия, которая не передается во вторичную обмотку и при закрытии ключа вызывает всплески перенапряжения, из-за которых приходится выбирать ключ

с повышенным максимально допустимым напряжением и использовать снабберные цепочки. Последние снижают энергоэффективность преобразователя. Следует отметить еще один недостаток ОП — отношение пикового значения тока к среднему существенно больше, нежели в других топологиях, поэтому приходится выбирать силовой ключ, величина максимально допустимого тока которого больше, чем в других преобразователях, что увеличивает стоимость ключа. Ток ключа в ОП в 1,5—2 раза больше, чем в ПП и полумостовом преобразователе. Ток в выпрямительном диоде в 3—4 раза больше, чем средний ток. ОБРАТНОХОДОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ДВУМЯ СИЛОВЫМИ КЛЮЧАМИ

Если не удается уменьшить индуктивность рассеяния или снабберной цепочки недостаточно, чтобы снизить перенапряжения, применяется схема из двух силовых ключей на высокой стороне (см. рис. 2). Отметим, что в этом случае повышается и эффективность преобразователя, т.к. энергия, запасенная в индуктивности рассеяния первичной обмотки, не рассеивается в снабберной цепи, а передается обратно во входной конденсатор. Двухключевая схема позволяет выбрать силовой ключ с меньшим максимально допустимым напряжением. При этом потери в двух последовательно включенных ключах с меньшим максимально допустимым напряжением примерно такие же или даже меньше, чем в более высоковольтном ключе. К недостаткам можно отнести усложнение схемы, ограничение величины коэффициента заполнения (менее 50%). Соотношение витков должно быть выбрано так, чтобы напряжение на вторичной обмотке достигло требуемой величины, прежде чем напряжение на первичной обмотке достигнет уровня, при котором диоды D1 и D2 начнут проводить. Иначе запасенная энергия начнет возвращаться во входной конденсатор, а не поступать в нагрузку.

ОБРАТНОХОДОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ В РЕЖИМЕ ПРЕРЫВИСТОГО ТОКА DCM

Этот режим достаточно просто реализовать. Частота коммутации фиксирована, передаточная характеристика имеет один полюс, и полоса пропускания обратной связи может быть достаточно большой и легко компенсироваться. Габариты трансформатора в этом режиме минимальны, т.к невелики и требования к индуктивности рассеяния первичной обмотки при усло-

Рис. 3. Напряжение сток-исток силового MOSFET в различных режимах

вии, что выходной ток относительно невелик. Отметим, что ток в выходном диоде спадает до нуля еще до того, как откроется силовой ключ на высокой стороне, поэтому отсутствуют шумы коммутации диода и потери на восстановление, которые происходят при запирании диода обратным напряжением. К сожалению, пиковые токи в этом режиме очень велики, больше чем в остальных режимах. Соответственно, нужно выбирать силовой ключ и выходной диод с большими максимально допустимыми токами. Повышаются и требования к выходному конденсатору из-за больших значений пульсирующего тока в нем — потребуется выбрать конденсатор лучшего качества с малым ESR. ОП в этом режиме следует применять при выходной мощности не более 100 Вт. В случае, когда требуется получить источник с большим выходным напряжением, ОП в этом режиме можно использовать вплоть до выходной мощности 1 кВт, но следует обратить внимание на выбор компонентов. ОБРАТНОХОДОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ В РЕЖИМЕ ГРАНИЧНОЙ ПРОВОДИМОСТИ CRM/BCM

Режим используется для оптимизации ОП. В этом режиме время между проводящим состоянием силового ключа и выпрямительного диода сокращается до минимума (напомним, что частота коммутации варьируется), и уменьшается кратность пикового тока по отношению к среднему. Трансформатор из-за увеличенного числа витков может быть чуть больше, чем в режиме прерывистого тока, т.к. в режиме CRM/BCM при максимальной нагрузке и меньшем входном напряжении ОП работает и при меньшей

частоте. Квазирезанонансный режим коммутации и отсутствие потерь на восстановление в выпрямительном диоде повышают эффективность ОП в большинстве приложений с малым выходным током. С первого взгляда может показаться, что работа при переменной частоте коммутации создаст проблемы с фильтрацией электромагнитных помех, но, как показывает опыт, опасения напрасны, т.к. при уменьшении потерь обычно уменьшаются и помехи. В этом режиме очень просто реализовать синхронное выпрямление, а значит, еще больше снизить потери. Граничный режим может оказаться неприемлемым в случае необходимости синхронизации от внешнего источника частоты. ОБРАТНОХОДОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ В РЕЖИМЕ НЕПРЕРЫВНОГО ТОКА CCM

Эта топология используется, когда требуется снизить пульсации тока в выходном конденсаторе и получить минимальное соотношение между пиковым и средним токами силового ключа и выпрямительного диода. ОП мощностью меньше 20 Вт выпускаются в виде микросхемы. Из-за минимального тока MOSFET он может быть реализован на одном кристалле с управляющей схемой. Этот режим полезен при больших выходных мощностях свыше 100 Вт. Следует учесть, что в момент запирания выпрямительного диода ток в нем продолжает протекать, поэтому неизбежны потери на обратное восстановление. Чтобы уменьшить их, рекомендуется применять диоды Шоттки. Ультрабыстрые диоды при запирании генерируют высокочастотный шум и потому лучше их не использовать. Открытие силового ключа происхо-

1

В англоязычной транскрипции: continuous-conduction mode (CCM). В англоязычной транскрипции: discontinuous-conduction mode (DCM).

3 В англоязычной транскрипции: critical-conduction mode (CRM).

4 В англоязычной транскрипции: borderline-conduction mode (BCM, или boundary-conduction mode).

2

Электронные компоненты №2 2011

43 И С Т О Ч Н И К И П И ТА Н И Я

ОП может работать в режимах непрерывного 1 или прерывистого токов 2. Однако сейчас становится популярен специальный случай режима прерывистого тока, так называемый режим критической проводимости 3 или режим граничной проводимости 4. Это компромиссный режим с некоторыми интересными особенностями, и он довольно легко реализуется в одноключевой схеме. В режиме DCM ток через дроссель выходной цепи уменьшается до нуля в период, когда силовой ключ Q1 закрыт. Фактически в этот момент ни через один элемент преобразователя не протекает ток, и его можно назвать «мертвым временем». В режиме CCM ток постоянно протекает через дроссель при любом состоянии силового ключа. В этих режимах преобразователь работает при постоянной частоте коммутации. Режим CRM является граничным между описанными выше. Как и в DCM, ток в дросселе спадает до нуля, но «мертвое время» отсутствует. Для достижения граничного режима варьируется время закрытого и открытого состояний ключа — преобразователь работает на переменной частоте и зависит, в частности, и от индуктивности дросселя, и от максимально допустимого пикового тока, который задается управляющим контроллером. На рисунке 3 показано напряжение сток-исток силового MOSFET в различных режимах. Заметьте, что в режиме CRM/BCM открытие MOSFET происходит в момент первого колебания в нижней точке кривой (valley), после того как энергия сердечника трансформатора уменьшилась до минимума. При этом коммутация происходит при минимальном напряжении на ключе, и потери на коммутацию уменьшаются. По существу, наблюдается квазирезонансный режим (QR). Такой метод коммутации позволяет увеличить энергоэффективность преобразователя.

дит в момент, когда протекает ток во вторичной обмотке трансформатора, поэтому и ток в силовом ключе устанавливается скачком, а потом начинает плавно нарастать. В передаточной функции системы желательно избегать нуля в правой полуплоскости, иначе придется прибегнуть к сложной схеме компенсации и уменьшить полосу пропускания обратной связи, что негативно скажется на переходных процессах в ОП.

Рис. 4. Прямоходовой преобразователь с обмоткой сброса

ПРЯМОХОДОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Прямоходовой преобразователь практически всегда является понижающим. Силовой ключ на первичной стороне и выпрямительный диод на вторичной одновременно проводят ток, т.е. через трансформатор передается униполярный импульс напряжения, поэтому чтобы избежать насыщения сердечника трансформатора, коэффициент заполнения не должен превышать 0,5. При этом условии в момент паузы сердечник трансформатора успевает размагнититься.

Рис. 5. Прямоходовой преобразователь со снабберной цепочкой

ПРЯМОХОДОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С РАЗМАГНИЧИВАЮЩЕЙ ОБМОТКОЙ

И С Т О Ч Н И К И П И ТА Н И Я

44

Возможно несколько вариантов построения схемы первичной стороны ПП. На рисунке 4 представлен один из них. В этой схеме для размагничивания сердечника трансформатора во время выключения силового ключа используется специальная размагничивающая обмотка, число ее витков обычно такое же, как у первичной обмотки. Максимальный коэффициент заполнения — менее 0,5. Обратите внимание — при закрытии силового ключа к нему прикладывается двойное напряжение входной сети. Это обстоятельство, а также выбросы напряжения из-за энергии, запасенной в индуктивности рассеяния, должны учитываться при выборе максимально допустимого напряжения силового ключа. Индуктивность рассеяния можно минимизировать, если выполнить намотку первичной и размагничивающей обмоток бифилярным проводом. Например при напряжении сети ≈220 В, с учетом возможного превышения напряжения на 10%, получим 242 В × 1,4 × 2 = 677,6 В. Учитывая выбросы напряжения от индуктивности рассеяния, следует выбрать ключ с максимально допустимым напряжением не менее 1000 В. Схема вторичной части остается неизменной при всех вариантах топологии первичной части. ПРЯМОХОДОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СО СНАББЕРНОЙ ЦЕПОЧКОЙ

В данной конфигурации (см. рис. 5) для ограничения напряжения при

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Рис. 6. Прямоходовой преобразователь с активным ограничением

выключении ключа служит снабберная цепочка (Ds, Rs, Cclamp). Отпадает необходимость в размагничивающей обмотке, следовательно, уменьшается размер трансформатора и стоимость изделия. Однако вся энергия, запасенная в сердечнике, рассеивается на резисторе Rs, и такая схема крайне неэффективна с энергетической точки зрения. Снабберная цепочка и первичная обмотка трансформатора составляют квазирезонансный контур. Величина конденсатора должна подбираться так, чтобы ограничить напряжение на закрытом силовом ключе и обеспечить быстрое затухание тока в контуре с тем, чтобы достичь максимального коэффициента заполнения. Обычно такие схемы используются при выходной мощности не более 100 Вт во избежание значительных потерь на резисторе Rs. ПРЯМОХОДОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С АКТИВНЫМ ОГРАНИЧЕНИЕМ

Эта топология (см. рис. 6), возможно, наилучший вариант схемы с одним силовым ключом. Для активного ограничения дополнительно используется

высоковольтный слаботочный MOSFET. Для управления требуется специальная микросхема контроллера, синхронизирующая работу обоих ключей. Схема с активным ограничением сходна с рассмотренной выше, но энергия в этом случае не рассеивается на резисторе снабберной цепи. Это очень эффективная схема, т.к. при правильном выборе конденсатора обеспечивается квазирезонансный режим переключения силового ключа и, следовательно, малые коммутационные потери и электромагнитные помехи. В этой схеме коэффициент заполнения может превышать 0,5 и не требуется использовать ключ с удвоенным максимально допустимым напряжением. В этой схеме также довольно просто использовать синхронный выпрямитель. Подобная топология применяется при мощностях до 500 Вт и даже несколько выше. Основной недостаток рассмотренной топологии: усложнение схемы управления — требуется дополнительный драйвер затвора и необходимо строго выдерживать заданную последовательность переключения. Учитывая квазирезонансный режим переключения,

приложениях при мощностях до 1 кВт и даже несколько больше при жестких условиях эксплуатации, где требуется надежность. Популярной разновидностью этой топологии является схема, когда два преобразователя работают со сдвигом фазы на 180°, а их напряжение суммируется на выходном конденсаторе. ПРЯМОХОДОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

В этих преобразователях магнитный сердечник используется не полностью, т.к. рабочая точка кривой перемещается по кривой BH только в пределах одного квадранта. Поэтому габариты трансформатора больше, чем в мостовой, полумостовой и двухтактной пушпульной схемах, где происходит полное перемагничивание сердечника. Но потери в трансформаторе в прямоходовом преобразователе меньше, чем в этих топологиях, т.к. потери пропорциональны величине B2. Для управления ПП желательно использовать режим с обратной связью по току, но выбросы на переднем фронте при резонансном переключении могут составить проблему. В этом случае предпочтительнее режим управления по напряжению. Коэффициент заполнения может превышать 0,5, если соблюдается вольт-секундный баланс. Если при этом применяется метод управления по току, то для задания по величине тока необходимо использовать не постоянное значение, а кривую первого или более высоких порядков (slope compensation).

Рис. 7. Пассивное ограничение без рассеяния

Рис. 8. Мостовой преобразователь

МОСТОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Рис. 9. Резонансный полумостовой LLC-преобразователь

И С Т О Ч Н И К И П И ТА Н И Я

46

повышенные требования предъявляются к трансформатору — индуктивность рассеяния первичной обмотки должна быть как можно меньше. Рекомендуется также вводить в сердечник трансформатора воздушный зазор, чтобы уменьшить индуктивность первичной обмотки и оптимизировать процесс резонанса при выключении силового ключа. ПАССИВНОЕ ОГРАНИЧЕНИЕ БЕЗ РАССЕЯНИЯ

Это довольно интересная конфигурация (см. рис. 7), в которой используются элементы вышеописанных топологий: размагничивающая обмотка, снабберная цепь и активное ограничение. В этой схеме конденсатор аккумулирует энергию индуктивности рассеяния между первичной обмоткой и обмоткой размагничивания и управляет скоростью нарастания напряжения на силовом ключе при его запирании,

WWW.ELCOMDESIGN.RU

уменьшая тем самым коммутационные потери. При открытом силовом ключе ограничивающий конденсатор разряжается через размагничивающую обмотку и отдает энергию входному конденсатору. По сути, перед нами снабберная цепь без потерь. При увеличении значения емкости Cclamp наступает квазирезонансный режим переключения. Коэффициент заполнения — менее 0,5. ПРЯМОХОДОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ДВУМЯ СИЛОВЫМИ КЛЮЧАМИ

Схема первичной стороны в этом случае такая же, как и в обратноходовом преобразователе (см. рис. 2). Эта схема наиболее эффективна — энергия, запасенная в трансформаторе и индуктивности рассеяния, возвращается во входной конденсатор. Коэффициент заполнения не превышает 0,5. Эту схему применяют в промышленных

Такой преобразователь (см. рис. 8) используется при мощностях до 5 кВт и в телекоммуникациях для 48-В шины при мощностях свыше 500 Вт. Полумостовой преобразователь получается заменой ключей Q3, Q4 на конденсаторы. Он применяется при меньших мощностях — примерно до 2 кВт. Отметим, что и в мостовом, и в полумостовом преобразователях через трансформатор передаются импульсы разной полярности, поэтому происходит перемагничивание сердечника, и рабочая точка перемещается по кривой ВН во всех четырех квадрантах. При этом потери в сердечнике больше, т.к. они пропорциональны В2. Для мостового преобразователя (в отличие от полумостового) отлично подходит режим управления с обратной связью по току. К недостаткам мостового преобразователя следует отнести более сложный драйвер ключей и риск возникновения сквозного тока, возникающего при переключении ключей

верхнего и нижнего плечей. Мостовой и полумостовой преобразователи применяются для понижения напряжения. Если же требуется повышающий преобразователь для больших мощностей, то обычно используют резонансные LLCпреобразователи. РЕЗОНАНСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Этот тип преобразователей используется, когда требуется уменьшить потери на коммутацию и повысить эффективность преобразователя. На рисунке 9 показан полумостовой LLC-

преобразователь. В резонансных схемах в цепь первичной обмотки добавляются конденсатор или дроссель (в данном случае дроссель), чтобы реализовать коммутацию при нулевом напряжении (ZVS) или нулевом токе (ZVC). Для получения полностью резонансной схемы необходимо изменять коэффициент заполнения и частоту коммутации так, чтобы в цикл коммутации укладывался целый период резонансной частоты. Резонанс происходит в цепи, состоящей из индуктивности рас-

сеяния и конденсаторов. Обычно индуктивность рассеяния точно неизвестна, поэтому в цепь вводят дополнительный дроссель Lr для настройки резонансного контура. Резонансный преобразователь, по сути, является источником тока, следовательно, нет необходимости использовать дроссель в выходном фильтре. В приведенной на рисунке схеме реализованы режимы ZVS, ZVC, и она отлично подходит для случаев, когда требуется получить высокое входное напряжение.

47 | АККУМУЛЯЦИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ ЭНЕРГИИ ПОМОЖЕТ РАЗВИТИЮ М2М-УСТРОЙСТВ | Системы аккумуляции энергии

позволяют собирать окружающую энергию, преобразовывать ее в удобную для применения форму и хранить для последующего использования. Пригодными для аккумулирования в окружающей среде могут быть свет, тепло, движение, вибрация и радиоволны. По прогнозу исследовательского центра ABI Research, рынок систем аккумулирования энергии к 2016 г. составит 418 млн долл. Отметим, что в 2009 г. объем этого сегмента не превышал 12,7 млн долл. Столь стремительный рост обусловлен экологичностью метода, отсутствием проводов для передачи энергии и возможностью продлить срок службы батарей. Поскольку окружающая энергия исчисляется в милливаттах (мВт) или даже микроваттах (мкВт), такой сбор энергии лучше всего подойдет для небольших беспроводных автономных устройств, которые могут функционировать в режиме сверхнизкой мощности. Таким образом, этот метод находит широкое применение в беспроводных сенсорных сетях (WSN), перспективных с точки зрения их использования для автоматизации зданий, сферы коммунальных услуг, производственных предприятий, домов и систем транспортировки. www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №2 2011

И С Т О Ч Н И К И П И ТА Н И Я

СОБЫТИЯ РЫНКА

БЕЗМОСТОВОЙ ККМ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С КПД ВЫШЕ 98% И КОЭФФИЦИЕНТОМ МОЩНОСТИ 0,999. Часть 3 СЛОБОДАН КУК, президент TESLAco

В статье описан однокаскадный изолированный AC/DC-преобразователь с коррекцией коэффициента мощности (PFC). Преобразователь работает напрямую от сети переменного тока, поскольку в нем отсутствует входной мостовой выпрямитель, характерный для традиционных PFC-преобразователей, в которых для достижения развязки требуется применять два, а иногда и три, промежуточных каскада. Публикация является продолжением статьи этого автора (см. ЭК8, ЭК11 за 2010 г.). Как показано на рисунках 1а, б, одним из способов реализации развязки является введение в схему мостового повышающего преобразователя. Следует отметить сложность такого преобразователя, а также тот факт, что на выпрямленный ток, протекающий через катушку индуктивности, будут накладываться высокочастотные помехи, которые надо подавлять при помощи дополнительного входного высокочастотного фильтра. Наличие 12 ключей приводит к появлению больших потерь на нагрев и переключение.

Описываемый преобразователь имеет высокие технические характеристики: коэффициент мощности 0,999 и 1,7% THD (THD — суммарный коэффициент гармоник). Гальваническая развязка обеспечивается трансформатором. Введение магнитной цепи, состоящей из одного компонента и схемы из трех ключей, незначительно усложнило схему по сравнению со схемой традиционного трехкаскадного преобразователя с 14 ключами и 4 магнитными компонентами.

МИ КРО С Х ЕМЫ С ИЛ ОВОЙ ЭЛ ЕК Т РОН ИКИ

48

а)

В литературе сообщалось, что самая высокая эффективность двухкаскадных преобразователей, использующих дополнительные переключатели для достижения резонансных переходов и снижения потерь на переключение, составляла 87%. Однако в случае необходимости преобразования мощности боле 1 кВт чаще применяется трехкаскадный способ преобразования, проиллюстрированный рисунком 2а, где за входным мостовым преобразователем следует изолированный мостовой повышающий PFC. В этой схеме работают 14 ключей. Максимальная эффективность такого подхода возрастает до 90%, т.е. выше, чем в предыдущем случае. Поэтому трехкаскадные схемы преобразования используются практически во всех существующих приложениях, связанных с высокой мощностью. На рисунке 2б показан альтернативный подход, годный для малой и средней мощности, отличающийся уменьшенным количеством ключей. Несмотря на то, что здесь количество ключей снижено до 10, проблема заключается в том, что четыре переключателя в прямоходовом преобразователе, расположенные как в первичной, так и во вторичных цепях, работают в режиме гораздо больших напряжений, чем аналогичные устройства в двухкаскадном мостовом преобразователе. НОВЫЙ ИЗОЛИРОВАННЫЙ БЕЗМОСТОВОЙ PFC

б) Рис.1. а) Схема мостового диодного выпрямителя совместно с мостовым преобразователем б) Диаграмма выпрямленного сетевого тока с наложенными на него высокочастотными помехами в изолированном повышающем PFC-преобразователе, показанном на рисунке 1а

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Очевидно, что все существующие AC/DC-преобразователи с функцией PFC и развязкой используют конфигурацию из трех каскадов преобразователей (мостового выпрямителя и следующих за ним двух DC/DC-преобразователей). Ввиду наличия трех каскадов преобразования мощности в таких схемах

но через катушку индуктивности Lm, поэтому постоянное напряжение V2 на резонансном конденсаторе Cr2 должно равняться напряжению V1 или:

постоянное напряжение также равен нулю, получается, что напряжение на резонансном конденсаторе Cr1, V1, должно равняться напряжению входного источника Vg, а его полярность должна соответствовать показанной на рисунке 4б. С другой стороны, во время интервала включения (ТON) два резонансных конденсатора оказываются включенными параллель-

V1 = V2 = Vg. (1) Теперь можно оценить напряжение на катушке индуктивности Lm в интервале ТOFF:

а)

б) Рис. 2. а) схема повышающего PFC, который следует за входным мостовым выпрямителем и использует 14 ключей; б) схема повышающего PFC, который следует за входным мостовым выпрямителем и использует 10 ключей

а)

б) Рис. 3. а) принципиальная схема безмостового PFC с единственным управляющим ключом S; б) состояние единственного управляющего ключа S в безмостовом PFC, показанном на рисунке 3а

Электронные компоненты №2 2011

49 М ИКРОС ХЕМЫ С ИЛ О ВО Й ЭЛ ЕК ТРОН ИКИ

возрастают энергетические потери и снижается общая эффективность. Безмостовой PFC-преобразователь, показанный на рисунке 3а, способен работать напрямую от сети и обходиться без входного мостового выпрямителя. На рисунке 3б показан его рабочий цикл управления модуляцией. Преобразователь имеет только три ключа и работает на основе нового гибридного метода переключения. Несмотря на наличие в схеме резонансной катушки индуктивности и резонансного конденсатора, использование такого метода переключения ведет к тому, что коэффициент передачи по постоянному напряжению определяется только параметрами рабочего цикла. И следует отметить, что как при отрицательном, так и при положительном входном напряжении он совпадает с коэффициентом передачи по постоянному напряжению обычного повышающего преобразоваиеля, что автоматически приводит к выпрямлению напряжения сети без применения входного мостового выпрямителя. Очевидно, что теперь необходимо найти простой и эффективный способ введения развязки в безмостовой PFCпреобразователь. Желательно при этом не увеличивать количество ключей (как это было в случае простого повышающего преобразователя) и получить простой и эффективный развязывающий трансформатор. Обе поставленные задачи можно решить, проведя последовательные преобразования эквивалентной схемы, показанные на рисунках 4а—в. Отметим, что для упрощения обозначений соответствующих компонентов в стационарном режиме в этих эквивалентных схемах входное напряжение рассматривается как источник постоянного положительного напряжения Vg. Реальные AC/ DC-преобразователи питаются от источников переменного напряжения Vg(t). Сначала резонансный конденсатор делится на два последовательных конденсатора Cr1 и Cr2, как показано на рисунке 4а. После чего между общей точкой этих конденсаторов А и землей G подключается катушка индуктивности Lm, как показано на рисунке 4б. Теперь оба конденсатора подключены к двум разным постоянным напряжениям V1 и V2, соответственно. Эти напряжения могут быть найдены при помощи метода вольт-секундного баланса двух катушек индуктивности L и Lm. Однако более быстрый способ — применение нескольких упрощений. Например, в контуре, состоящем из входного источника, двух катушек индуктивности L и Lm и резонансного конденсатора Cr1, сумма напряжений вдоль этого контура должна быть равна нулю. Но поскольку результирующее среднее напряжение на катушках индуктивности равно нулю, их вклад в

.

заполнения D для индуктивности Lm автоматически настраивается вольтсекундный баланс. Поэтому ее можно заменить на двухобмоточный трансформатор с соотношением витков в обмотках 1:1, как показано на рисунке 4в. На рисунках 5а и 5б показаны временные диаграммы напряжений на двух резонансных конденсаторах. Для получения напряжения, равного Vg, на такое же постоянное напряже-

(2)

Поскольку выходное напряжение не менялось в ходе преобразования эквивалентных схем, оно остается равным: .

(3)

Это доказывает тот факт, что при любых рабочих циклах с коэффициентом

а)

б)

в) Рис. 4. Пошаговые трансформации эквивалентных схем для введения развязывающего трансформатора в неизолированный безмостовой PFC

а)

МИ КРО С Х ЕМЫ С ИЛ ОВОЙ ЭЛ ЕК Т РОН ИКИ

50

б)

в) Рис. 5. Характерные диаграммы сигналов преобразователя, показанного на рисунке 4в: а) диаграмма напряжения на резонансном конденсаторе первичной цепи Cr1; б) диаграмма напряжения на резонансном конденсаторе вторичной цепи Cr2; в) диаграмма пульсирующего напряжения на двух конденсаторах Cr1 и Cr2.

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ние накладываются два противофазных пульсирующих напряжения, т.е. в течение интервала ТOFF, первый резонансный конденсатор Cr1 заряжается, в то время как второй конденсатор Cr2 разряжается. Соответственно, во вторую половину цикла ТON процесс повторяется с точностью до наоборот. Поэтому результирующее пульсирующее напряжение на последовательных конденсаторах равно удвоенному напряжению пульсаций на каждом конденсаторе и не содержит постоянной составляющей, как показано на диаграмме 5в. Отметим также, что для интервала ТON справедлива эквивалентная схема, показанная на рисунке 6а. Поскольку катушка намагничивания обладает большой индуктивностью Lm, ее импеданс также велик, поэтому она несильно нагружает схему и может быть из нее удалена. Результирующая модель резонансной схемы показана на рисунке 6б. При помощи этой схемы можно оценить величину эквивалентного резонансного конденсатора Cr: .

(4)

Следовательно, данную диаграмму резонансных токов, аналогичную полученной ранее для неизолированного преобразователя, показанного на рисунке 3а, и соответствующие аналитические результаты можно напрямую применить к изолированному преобразователю. Отметим, что проведенный выше анализ может быть применен и для отрицательного входного напряжения. Даже несмотря на то, что стационарные состояния на двух резонансных конденсаторах C r1 и Cr2, а также полярности на них теперь будут меняться соответствующим образом, коэффициент передачи по постоянному напряжению, определенный выражением (3), будет оставаться неизменным. Таким образом, первоначальная цель введения развязывающего трансформатора в структуру неизолированного преобразователя с минимальными изменениями, не нарушающими его работу, достигнута: изолированная конфигурация также имеет три переключателя с одним управляющим ключом в первичной цепи и двумя пассивными диодными ключами во вторичной цепи. Теперь можно изменить соотношение витков в обмотках трансформатора с 1:1 на Np:Ns (Np — количество витков в первичной обмотке, а N s — количество витков во вторичной обмотке), что приведет к изменению соотношения постоянных напряжений:

www.integral.by

MOSFET транзисторы производства ОАО «ИНТЕГРАЛ» (диапазон рабочих температур от – 60 до +125ºС)

Тип IZ024N IFP50N06 IZ70N06 IZ85N06 IZ75N75 IFP75N08 IZ630 IZ640 IZ634 IFP730 IFP740 IFP830 IFP840 IZ13N50 IZ20N50 IZ50N50 IFU1N60 IFD1N60 IFP1N60 IFU2N60 IFD2N60 IFP2N60 IFP4N60 IFP7N60 IZ10N60 IZ12N60 IZ20N60 IZ24N60 IZ28N60 IZ40N60 IZ1N65 IZ2N65 IZ4N65 IZ7N65 IZ10N65 IZ12N65 IFU1N80 IFD1N80 IFP1N80 IZ3N80 IWP5NK80Z IZ10N80 IZ9N90 IZ11N90

Варианты поставок Vgs корпусной бескорпусной +/–V чип, пластина 20 TO-220/3 чип, пластина 20 чип, пластина 20 чип, пластина 20 чип, пластина 20 TO-220/3 чип, пластина 20 чип, пластина 25 чип, пластина 25 чип, пластина 25 TO-220/3 чип, пластина 30 TO-220/3 чип, пластина 25 TO-220/3 чип, пластина 30 TO-220/3 чип, пластина 25 чип, пластина 30 чип, пластина 30 чип, пластина 30 I-PAK D-PAK чип, пластина 30 TO-220/3 I-PAK D-PAK чип, пластина 30 TO-220/3 TO-220/3 чип, пластина 30 TO-220/3 чип, пластина 30 чип, пластина 30 чип, пластина 30 чип, пластина 30 чип, пластина 30 чип, пластина 30 чип, пластина 30 чип, пластина 30 чип, пластина 30 чип, пластина 30 чип, пластина 30 чип, пластина 30 чип, пластина 30 I-PAK D-PAK чип, пластина 30 TO-220/3 чип, пластина 30 TO-220/3 чип, пластина 30 чип, пластина 30 чип, пластина 30 чип, пластина 30

ID [A] 25°C 100°C 17 12,0 50 35,0 70 48,0 85 60,0 75 52,5 75 52,5 9 5,7 18 11,4 8 5,1 6 3,6 10 6,3 5 3,0 8 5,1 13 8,0 20 13,0 50 30,0

Vgs(th) [V] BVdss мин. макс. [V] 2,0 4,0 55 2,0 4,0 60 2,0 4,0 2,0 4,0 2,0 4,0 75 2,0 4,0 80 2,0 4,0 200 2,0 4,0 2,0 4,0 250 2,0 4,0 400 2,0 4,0 2,0 4,0 2,0 4,0 2,0 4,0 500 2,0 4,0 2,0 4,0

Rds(on) [Ω] VGS = 10 V тип макс.

0,052 0,075 0,018 0,022 0,012 0,015 0,010 0,012 0,013 0,017 0,012 0,015 0,350 0,400 0,155 0,180 0,370 0,450 0,780 0,950 0,440 0,550 1,150 1,400 0,700 0,850 0,390 0,490 0,210 0,260 0,090 0,120

Ciss [pF] тип 370 1050 1600 2500 3000 2600 420 1130 735 670 1570 680 1570 1600 3350 6000

Qg [nC] тип 20 32 39 70 85 80 19 58 29 25 38 25 38 45 90 150

1

0,6

2,0

4,0

8,500

12,000

155

5

2

1,1

2,0

4,0

4,000

5,000

320

10

4 7 10 12 20 24 28 40 1 2 4 7 10 12

2,5 4,4 6,0 7,5 12,0 14,5 17,0 25,0 0,6 1,1 2,5 4,4 6,0 7,5

2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0

4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0

2,000 2,500 0,850 1,200 0,650 0,800 0,550 0,700 0,260 0,320 0,210 0,260 0,200 0,240 0,130 0,160 10,500 13,000 4,700 5,500 2,400 2,700 1,100 1,300 0,700 0,850 0,650 0,800

545 1100 1600 1800 3200 3500 4200 6000 155 320 545 1100 1600 1800

15 28 45 50 80 90 110 160 5 10 15 28 45 50

1

0,9

3,0

5,0

14,000 18,000

170

7

3 4,3 10 9 11

1,8 2,7 6,5 6,0 6,6

3,0 3,0 3,0 3,0 3,0

5,0 4,5 5,0 5,0 5,0

3,800 1,900 0,900 1,100 0,900

550 910 2200 2200 3000

15 32 46 47 70

600

650

800

900

Более подробную информацию можно получить в ОАО «ИНТЕГРАЛ» Филиал «Завод полупроводниковых приборов» Беларусь, 220108, г. Минск, ул. Казинца И.П., д.121А, к.327. тел.: + 375 17 212 20 31, факс: + 375 17 278 79 80.

E-mail: dzum@integral.by; http://www.integral.by.

5,000 2,400 1,100 1,400 1,100

Прототип СНГ Применение КП723А, КП812А1 Автоэлектроника, электроинструмент КП630, КП737А КП640, КП750А КП737Б КП730, КП707А1 КП740 КП830 КП840

КП707Б1, КП726А/Б

КП707В2

Источники питания, электронные баласты, электропривод

.

(5)

В дополнение к развязке такое решение добавляет схеме гибкость, поскольку позволяет понижать выходное постоянное напряжение до любого заданного значения через соотношение витков в обмотках развязывающего трансформатора. Отметим, что контроллер ИС безмостового PFC теперь находится в первичной цепи преобразователя, как показано на рисунке 7а, что приводит к искажению диаграммы сетевого тока (см. рис. 7б). Из последнего рисунка видно, что на низкочастотный (50 Гц) сетевой ток накладываются высокочастотные пульсации входной катушки

а)

б) Рис. 6. а) модель эквивалентной резонансной схемы преобразователя, показанного на рисунке 4б; б) упрощенная модель резонансной схемы модели, показанной на рисунке 6а

а)

б) Рис. 7. а) принципиальная схема изолированного безмостового PFC- преобразователя с единственным управляемым ключом S, контролируемым чипом ИС безмостового PFC; б) высокочастотные помехи, наложенные на 50-Гц входной переменный ток сети и вызванные переключениями при работе изолированного безмостового PFC-преобразователя, показанного на рисунке 7а

МИ КРО С Х ЕМЫ С ИЛ ОВОЙ ЭЛ ЕК Т РОН ИКИ

52

Рис. 8. Сравнение рабочих характеристик B–H контуров трёх типов развязывающих трансформаторов, используемых в: а) изолированных безмостовых PFС-преобразователях; б) прямоходовых преобразователях; с) обратноходовых преобразователях

WWW.ELCOMDESIGN.RU

индуктивности (с частотой переключения, например, 50 кГц). Высокочастотный пульсирующий ток переключений затем фильтруется отдельным высокочастотным фильтром, стоящим на входе преобразователя. ДОСТОИНСТВА РАЗВЯЗЫВАЮЩЕГО ТРАНСФОРМАТОРА

Процедура внесения в схему развязывающего трансформатора, описанная выше, также выявила некоторые его ключевые преимущества по сравнению с развязывающими трансформаторами в традиционных изолированных прямоходовых и обратноходовых преобразователях. Это проиллюстрировано на рисунке 8, где показаны петли гистерезиса трансформаторов в рассматриваемых преобразователях в координатах В–Н. Во-первых, развязывающий трансформатор прямоходового преобразователя использует только половину всей В–Н петли, поскольку магнитный поток трансформатора при помощи входного ключа и входного источника напряжения направлен в одну сторону, однако здесь необходим механизм сброса, возвращающий магнитный поток в исходное нулевое положение магнитного потока переменного тока. Механизм сброса либо использует третью обмотку, либо является сбросом по типу обратного хода, известным как сброс при ограничении напряжения (voltage clamp) в прямоходовых преобразователях, что представляет собой наиболее распространенное решение. Развязывающий трансформатор в обратноходовых преобразователях (также как в прямоходовых) использует только половину возможностей магнитного потока сердечника. Однако обратноходовые преобразователи имеют еще один недостаток, заключающийся в том, что их трансформаторы в интервале ТON имеют свойство сохранять всю входную энергию и затем в интервале ТOFF отдавать накопленную энергию в нагрузку. Поэтому трансформаторы обратноходовых преобразователей должны иметь большой воздушный зазор для хранения такой энергии, что ведет к значительному снижению магнитной индукции. Это показано на рисунке уменьшением наклона B–H петли гистерезиса. Чем больше постоянный ток нагрузки, тем меньше этот наклон. Переменная составляющая магнитного потока накладывается затем на максимум постоянной составляющей, и на переменную составляющую приходится только оставшаяся часть магнитной индукции. Как видно из рисунка 8, развязывающий трансформатор в изолированном безмостовом PFC-преобразователе

тор сам по себе не накапливает какойлибо энергии. Описанные достоинства развязывающих трансформаторов отражаются в значительном снижении их размеров и повышении эффективности. Другими преимуществами являются двусторонняя направленность характеристики магнитного потока и отсутствие накопления энергии постоянного тока. Преобразователь, показанный на рисунке 7а, имеет два магнитных элемента: входную катушку индуктивности и развязывающий трансформатор, для которых требуются два магнитных сердечника. Однако схема этого преобразователя имеет уникальную особенность: обе катушки индуктивности L и первичная обмотка трансформатора Tout при любых рабочих циклах с коэффициентом заполнения D имеют идентичные прямоугольные диаграммы напряжений возбуждения VL1 и V T, что проиллюстрировано рисунком 9а. Для контура, состоящего из первичной обмотки развязывающего трансформатора и входного источника напряжения, была построена модель по переменному току для случая закорачивания источника входного напряжения и резонансного конденсатора, стоящего в первичной цепи. При этом катушка индуктивности и первичная обмотка трансформатора оказываются

включенными параллельно друг другу. Следовательно, несмотря на возбуждение переменным напряжением, оба элемента — и катушка индуктивности, и трансформатор, имеют идентичные формы переменных сигналов, что позволяет разместить их на одном сердечнике, как показано на рисунке 9б. Это позволяет устранить один магнитный сердечник. Более того, соответствующее размещение воздушного зазора на общем сердечнике, например, на стороне трансформатора, смещает весь пульсирующий ток от катушки индуктивности к обмотке трансформатора. Это приводит к нулевому пульсирующему току через входную катушку индуктивности, что показано сплошной линией на рисунке 9в. Таким образом, преобразователь может даже работать на границе режима прерывистого тока через катушку индуктивности (Discontinuous Inductor Current Mode — DICM), что показано на рисунке 9в пунктирной линией, но при этом входной пульсирующий ток через катушку индуктивности остается близким к нулю. Очевидно, что при большом пульсирующем токе через катушку индуктивности, как в случае трехкаскадного преобразования, потребовалась бы установка соответствующего отдельного высокочастотного фильтра. В данном случае этого не только не требуется, но и появляются

Электронные компоненты №2 2011

53 М ИКРОС ХЕМЫ С ИЛ О ВО Й ЭЛ ЕК ТРОН ИКИ

использует как положительную, так и отрицательную части петли гистерезиса. Кроме того, нет необходимости применения для сброса ни третьей обмотки, ни метода ограничения напряжения, как это происходит в прямоходовых преобразователях, поскольку при любых рабочих циклах с коэффициентом заполнения D для трансформатора автоматически настраивается вольтсекундный баланс. И, наконец, такой трансформатор работает как настоящий трансформатор переменного тока, поскольку он не накапливает энергию и поэтому может быть реализован на основе магнитного сердечника без зазора, который работает с большой магнитной индукцией и маленьким током намагничивания. Тот факт, что такой развязывающий трансформатор не накапливает энергию подобно трансформатору в обратноходовом преобразователе, легко проверить при помощи самого преобразователя: его первичная обмотка последовательно соединена с резонансным конденсатором Cr1, который должен поддерживать баланс заряда. То же самое справедливо и для резонансного конденсатора Cr2 во вторичной цепи. Следовательно, суммарный ток ни в первичной, ни во вторичной обмотках не может иметь постоянную составляющую, поэтому трансформа-

а)

б)

в)

Рис. 9. а) идентичные диаграммы напряжений на катушке индуктивности L и трансформаторе преобразователя, показанного на рисунке 7а; б) объединение трансформатора и катушки индуктивности на одном магнитном сердечнике для получения единой магнитной структуры; в) результирующий нулевой входной пульсирующий ток, полученный при введении единой магнитной структуры рисунка 9б

а)

б)

Рис. 10. а) схема безмостового PFC-преобразователя с объединённым магнитным контуром и одним ключом, управляемым ИС безмостового PFC; б) кривая 50-Гц входного переменного сетевого тока, неискажённого безмостовым PFC-преобразователем с объединенным магнитным контуром (см. рис. 10а)

а) б) Рис.11. а) схема изолированного безмостового PFC-преобразователя с ключом S, реализованного на базе двух параллельно включённых RBIGBT-транзисторов; б) двунаправленный ключ должен работать в 1 и 3 квадранте

МИ КРО С Х ЕМЫ С ИЛ ОВОЙ ЭЛ ЕК Т РОН ИКИ

54

дополнительные преимущества в размерах устройства и технических характеристиках. Например, использование большого разрешенного пульсирующего тока через входную катушку индуктивности позволяет уменьшить размеры интегрированного магнитного сердечника. Более того, ранее было показано, что работа на границе DICM-режима при частоте сети 400 Гц приводит к снижению суммарного значения коэффициента нелинейных искажений — THD (см. рис. 10 а), а соответствующий переменный ток в сетевой линии, свободный от высокочастотных гармоник, показан на рисунке 10б. Ток в резонансной катушке индуктивности имеет разное направление в интервалах ТOFF и TON. Такая смена направления тока в катушке индуктивности за короткий переходный период может привести к всплескам напряжения на ключе S. Чем короче переходный период, тем больше могут быть всплески напряжения. Однако из-за малой энергии, накопленной в такой маленькой катушке индуктивности, эти всплески напряжения

WWW.ELCOMDESIGN.RU

могут быть эффективно подавлены при помощи диода Зенера (стабилитрона), который будет ограничивать всплески по амплитуде и рассеивать их энергию. Поскольку преобразователь работает с двумя полярностями входного напряжения, на практике применяется двунаправленный диод Зенера, называемый защитным стабилитроном (Transorber), который также рассеивает всю энергию всплесков напряжения и ограничивает их амплитуду. Однако существует также ряд консервативных методов, позволяющих сохранить большую часть энергии и передать ее в нагрузку, что обеспечивает возможность повышения эффективности и снижения нагрузки на ключ во время переходных процессов. РЕАЛИЗАЦИЯ УПРАВЛЯЕМОГО КЛЮЧА S

Изолированный безмостовой PFCпреобразователь с ключом S, реализованным на базе двух включённых параллельно RBIGBT-транзисторов, изображен на рисунке 11а. Ожидается,

что скоро появится одиночный двунаправленный ключ, имеющий характеристики, показанные на рисунке 11б. Очевидно, что диэлектрические потери на электропроводность являются доминантными потерями изолированного безмостового PFC-преобразователя, поэтому новые ключи смогут повысить общую эффективность с текущих 97 до 98%. На рисунке 12а показан изолированный безмостовой PFC-преобразователь, для которого на рисунке 12б проиллюстрировано снижение нагрузки на ключ S, стоящий в первичной цепи, а на рисунке 12в отображен перепад напряжения на выпрямительных диодах CR1 и CR2. Перепад напряжения на токовых выпрямителях во вторичной цепи равен постоянному выходному напряжению, в результате чего элементы схемы получаются минимально нагруженными. Перепад напряжения на входном ключе S также небольшой, поскольку он равен выходному напряжению, делённому на соотношение витков в обмотках транс-

(закрашенная область), в которой коэффициент преобразования постоянного напряжения падает до нуля. Таким образом, реально измеренный коэффициент передачи по постоянному напряжению соответствует преобразователям понижающего/повышающего типа. Поэтому выходное постоянное напряжение может стартовать плавно с нуля и при увеличении коэффициента заполнения рабочего цикла переходить в зону повышающего преобразования постоянного напряжения. Отметим, что

в таком случае нет необходимости в отдельной запускающей схеме для предварительного заряда выходного конденсатора с целью получения необходимого коэффициента преобразования постоянного напряжения. Внесение развязывающего трансформатора в схему неизолированного безмостового PFC-преобразователя показало, что при этом не меняется его первоначальная топологическая структура и функция коррекции коэффициента мощности, включая неиз-

55 а)

б)

в)

Рис. 12. а) схема изолированного безмостового PFC-преобразователя с соотношением витков в обмотках развязывающего трансформатора n:1; б) градиент напряжения на входном ключе S равен выходному напряжению, делённому на соотношение витков в обмотках трансформатора; в) Градиент напряжения на токовых выпрямителях во вторичной цепи равен постоянному выходному напряжению

Электронные компоненты №2 2011

М ИКРОС ХЕМЫ С ИЛ О ВО Й ЭЛ ЕК ТРОН ИКИ

форматора. Низкие нагрузки по напряжению на элементы преобразователя ведут к повышению эффективности и снижению его стоимости. Поскольку коэффициент передачи по постоянному напряжению для изолированных безмостовых PFCпреобразователей описывается тем же самым уравнением (5), что и для остальных изолированных повышающих преобразователей, предполагается, что они будут иметь аналогичные проблемы запуска. Однако эти преобразователи не имеют подобных проблем благодаря специальному режиму работы с низкими коэффициентами заполнения рабочих циклов, что позволяет осуществлять мягкий запуск с нулевого значения выходного напряжения. Показанный на рисунке 13 пунктирной линией график соответствует идеальной характеристике передачи по постоянному напряжению, описываемой выражением (5) для случая, когда соотношение витков в обмотках развязывающего трансформатора равно 1:1 (именно этот вариант использовался для экспериментальной проверки). Как и в случае неизолированного безмостового PFC-преобразователя, экспериментальные измерения коэффициентов передачи по постоянному напряжению, показанные сплошной линией, выявили наличие зоны в области низких коэффициентов заполнения рабочих циклов

Рис. 13. Операция запуска: измеренные характеристики преобразования постоянного напряжения показали, что пониженный коэффициент передачи при малых коэффициентах заполнения рабочего цикла (закрашенная область) позволяет осуществить мягкий старт и исключить необходимость введения дополнительной схемы для предварительного заряда выходного конденсатора, как это было в традиционных повышающих преобразователях

а)

б) Рис. 14. а) трёхкаскадное преобразование мощности с выпрямлением напряжения и последующим промежуточным повышающим преобразованием постоянного напряжения до 400 В, которое подается на вход преобразователя, показанного на рисунке 2б, для понижающего преобразования напряжения; б) однокаскадное прямое понижающее преобразование до уровня выходного напряжения без промежуточной высоковольтной шины постоянного напряжения с функцией развязки и коррекцией коэффициента мощности

56

менность самих ключевых элементов. Таким образом была проведена модификация прототипа безмостового PFCпреобразователя на 400 Вт при помощи введения в его схему развязывающего трансформатора с соотношением витков в обмотках 1:1. Как ожидалось, измеренные значения коэффициента мощности (PF) и суммарного коэффициента нелинейных искажений (THD) при работе от сети 110 В, 60 Гц остались теми же самыми: 0,999 (PF) и 1,7% (THD). Однако эффективность оказалась сниженной из-за потерь в добавленном развязывающем трансформаторе. В зависимости от размера трансформатора дополнительные потери мощности составили 0,25—0,5%. В трёхкаскадных преобразователях используется большое количество переключателей, и некоторые ключи испытывают большую нагрузку по напряжению из-за промежуточного повышающего преобразования постоянного напряжения до 400 В. На рисунке 14а показана концептуальная диаграмма, иллюстрирующая три стадии преобразования и повы-

МИ КРО С Х ЕМЫ С ИЛ ОВОЙ ЭЛ ЕК Т РОН ИКИ

Таблица 1. Сравнение однокаскадного изолированного безмостового PFC-преобразователя и традиционного преобразователя Преобразование мощности

Однокаскадное

Тип преобразователя

Изолированный безмостовой PFC

Метод переключения Количество ключей Количество транзисторов Перепад напряжения на ключе Переключение без потерь Управление Количество магнитных элементов Потери мощности, % Эффективность, % Размер Вес Стоимость

Гибридный 3 1 небольшой да простое 1 2 >98 маленький легкий низкая

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Трёхкаскадное Мостовой выпрямитель — повышающий PFC — мостовая схема Прямоугольный сигнал 14 5 большой нет сложное 4 10 88—90 большой тяжелый высокая

шающее преобразование постоянного напряжения до 400 В. Преобразование мощности в один этап при помощи изолированного безмостового PFCпреобразователя исключает стадию промежуточного высоковольтного преобразования постоянного напряжения и позволяет работать напрямую от сети переменного тока через встроенный выпрямитель для получения гальванически развязанного выхода более низких напряжений, например, 48 В, используемых в телекоммуникационных приложениях (см. рис. 14б). В таблице 1 сравниваются ключевые рабочие характеристики однокаскадного изолированного безмостового PFC-преобразователя и традиционного трёхкаскадного преобразователя, состоящего из мостового выпрямителя, повышающего PFC-преобразователя и изолированного мостового преобразователя. Отметим, в частности, резкое снижение количества переключателей с 14 до 3 и одновременное улучшение эффективности с 90 до 97% при уменьшении числа магнитных компонентов с 4 до 1, которые приводят к соответствующему снижению веса, размера и стоимости преобразователя. Гибридное переключение дало возможность применить однокаскадный подход и с минимальными изменениями ввести в схему неизолированного преобразователя развязывающий трансформатор. Несколько приложений с участием изолированного безмостового PFC-преобразователя подтвердили возможность его применения в широком диапазоне мощностей от 75 Вт до нескольких кВт. ВСТРОЕННЫЙ АДАПТЕР ДЛЯ ПОРТАТИВНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ

Последние попытки встроить сетевой адаптер внутрь портативных компьютеров провалились по двум причинам.

1. Их низкая эффективность (ниже 90%) даже при 75 Вт приводила к очень большому рассеиванию мощности.

2. Крупные размеры из-за большого количества магнитных элементов не позволяли вписать их в низкий профиль портативных компьютеров. В настоящее время обе эти проблемы решены при помощи изолированного безмостового PFCпреобразователя, который может быть рассчитан так, чтобы, например, 100-Вт сетевой адаптер выдавал на выходе постоянное напряжение в диапазоне 18…20 В и заряжал аккумулятор компьютера напрямую от сети, обеспечивая при этом единичный коэффициент мощности и низкий коэффициент искажений. Более того, единственный интегрированный магнитный элемент может

быть выполнен из плоского магнитного сердечника, что позволяет адаптеру вписаться даже в очень низкий профиль портативных компьютеров менее одного дюйма. И, наконец, для увеличения эффективности выходной выпрямитель может быть выполнен в виде синхронного выпрямителя на базе двух транзисторов MOSFET и драйверов верхнего ключа, как показано на рисунке 15а. Это решение подходит как для создания 18-В встроенных сетевых адаптеров, так и для 48-В блоков питания для телекоммуникационных устройств. Для дальнейшего уменьшения размеров и стоимости эти два транзистора MOSFET и драйверы верхнего ключа могут быть заменены одной ИС, например, Dr MOS, предлагаемую многими поставщиками.

а)

ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ АККУМУЛЯТОРОВ ГИБРИДНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛОСИПЕДОВ

БЛОКИ ПИТАНИЯ ДЛЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ

В телекоммуникационных приложениях для надежной работы всегда используется резервный источник питания, как правило, стандартный 48-В аккумулятор. Для этих целей наилучшим образом подходит изолированный безмостовой PFC-преобразователь. К тому же, он может быть использован

б) Рис. 15. а) схема изолированного безмостового PFC-преобразователя, показанного на рисунке 12а и имеющего во вторичной цепи выпрямитель на базе двух транзисторов MOSFET и драйверов верхнего ключа; б) схема изолированного безмостового PFC-преобразователя, использующего реализацию ключа S на базе двух транзисторов MOSFET

Рис. 16. Третья «неосуществимая» реализация устройства — изолированного безмостового PFC-преобразователя с пульсирующим входным током

как недорогой и эффективный выпрямитель в 3- и 10-кВт приложениях. Новый гибридный метод переключения позволил реализовать однокаскадный изолированный безмостовой PFC-преобразователь, состоящий всего из трех ключей и одного магнитного элемента, эффективно заменивший трёхкаскадный преобразователь, в состав которого входили 14 ключей и 4 магнитных компонента. В результате были значительно снижены потери при одновременном уменьшении размеров, веса и стоимости, поэтому такие преобразователи подходят для широкого круга пользовательских и промышленных приложений. ТРЕТЬЯ «НЕОСУЩЕСТВИМАЯ» РЕАЛИЗАЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

На рисунке 16 показана третья «неосуществимая» реализация преоб-

разователя — изолированного безмостового PFC-преобразователя с пульсирующим входным током (в настоящее время на данный преобразователь оформляется патент). В состав преобразователя входит трансформатор с обратноходовыми характеристиками. Хотя выходное постоянное напряжение у него является положительным (а не отрицательным, как у обратноходового преобразователя), его коэффициент передачи по постоянному напряжению остается повышающим и равен 1/(1–D). ЛИТЕРАТУРА 1. Slobodan Cuk. Modelling, Analysis and Design of Switching Converters, PhD thesis, November 1976, California Institute of Technology, Pasadena, California, USA. 2. Slobodan Cuk, R.D. Middlebrook.

Advances in Switched-Mode Power Conversion, Vol. 1, II, and III, TESLAco 1981 and 1983.

Электронные компоненты №2 2011

57 М ИКРОС ХЕМЫ С ИЛ О ВО Й ЭЛ ЕК ТРОН ИКИ

Другим интересным приложением является зарядное устройство для аккумуляторов, используемое, в частности, для зарядки 200-В литиевоионных батарей, применяемых в большинстве гибридных автомобилей. Схема изолированного безмостового PFC-преобразователя, использующего реализацию ключа S на базе двух транзисторов MOSFET, изображена на рисунке 15б. Всё более популярными в мире, особенно, в Японии и Европе, становятся электрические велосипеды, а портативных зарядных устройств ввиду их больших размеров для велосипедов не существует. Новый изолированный безмостовой PFC-преобразователь может быть использован в 120-Вт портативных зарядных устройствах для велосипедов, что устраняет необходимость применения больших, громоздких и дорогих стационарных зарядных устройств. И, наконец, при помощи новых преобразователей можно создавать более эффективные, меньшие по размеру и более дешевые зарядные устройства для промышленных приложений, например, для вилочных погрузчиков, гольфмобилей и инвалидных колясок.

СЕРИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ ВИДЕОПРОЦЕССОРОВ ДЛЯ ЖК-ТЕЛЕВИЗОРОВ ВЛАДИМИР ЦЫМБАЛ, главный инженер, филиал НТЦ «Белмикросистемы» СЕРГЕЙ ГРИНЕВСКИЙ, начальник отдела, филиал НТЦ «Белмикросистемы» АНДРЕЙ ЛИСТОПАДОВ, главный конструктор, филиал НТЦ «Белмикросистемы» ВИТАЛИЙ ГРИШКОВ, ведущий конструктор, филиал НТЦ «Белмикросистемы» АНАСТАСИЯ ДУЛО, инженер, филиал НТЦ «Белмикросистемы»

В статье рассказывается о микросхемах ILA8890/91 — схемах видеопроцессоров для обработки телевизионного сигнала и формирования управляющих напряжений для схемы скалирования. Микросхемы предназначены для применения в бытовых ЖК-телевизионных приемниках цветного изображения, построенных на концепции LOCTOP.

М У Л ЬТ И М Е Д И А И Т Е Л Е К О М

58

Данная концепция эффективно используется как в дешёвых, так и в дорогих ЖК-телевизорах. Концепция LOCTOP видеопроцессоров ILA8890/91 обеспечивает коммутацию всех аналоговых аудио/видеосигналов как входных, так и выходных, а также обеспечивает сопряжение со схемами цифровой обработки звука и видеоскалирования. ИС ILA8890 включает следующие блоки: блок демодуляции ПЧ-сигнала, блок понижения ПЧ звукового сигнала, блок демодуляции АМ-сигнала звука, блок коммутации входных и выходных видео-, аудиосигналов, блок формирования выходных сигналов ПЦТС и цветности для последующей обработки видеоскалером. ИМС ILA8891 отличается от ILA8890 наличием дополнительных блоков: блока многостандартного декодирования сигнала цветности, селектора источника сигнала YPRPB/RGB, блока формирования YPRPB выходных сигналов для функции «кадр в кадре» и блока переключения SCART RGB входных сигналов на YPRPB-выходы. ИС ILA8890/91 имеют напряжения питания 8/5 В и 3,3 В и собираются в QFP80-корпус. Основные функциональные особенности обеих версий видеопроцессора: обработка многостандартного видеосигнала ПЧ на базе не требующего настроек ФАПЧ-демодулятора; внутренняя (переключаемая) постоянная времени для АРУ; отключаемая коррекция группового времени задержки и режекторный фильтр звукового сигнала (с переключаемой центральной частотой) для демодулированного ПЦТС-сигнала; отдельный вход ПЧ-звука для раздельной QSS-демодуляции; АМ-демодуляция, не требующая внешних настроек; выход ПЧ-звука (SSIF-

WWW.ELCOMDESIGN.RU

вывод) для подключения к цифровому звуковому декодеру; схема коммутации входных сигналов звука с семью широкополосными стереовходами, каждый из которых можно подключить ко входу внешнего цифрового FM-декодера или ко входу аудио DSP; наличие схемы коммутации выходных сигналов звука с тремя выходами, видеокоммутатора с четырьмя внешними ПЦТС-входами и тремя ПЦТС-выходами, схемы видеоидентификации и детектора сигнала Y/C; синхронизация от одной тактовой частоты 24,576 МГц; индикация отношения сигнал-шум для входного ПЦТСсигнала; строчная синхронизация с генератором, не требующим настройки; генерация синхроимпульсов полей в схеме кадрового делителя. Блок-схема ILA8891 представлена на рисунке 1. ИС ILA8891 характеризуется некоторыми дополнительными функциональными особенностями: имеет дополнительные входы для CVBS3/Y3 и C3; YPRGB-выходы для реализации цветного «кадра в кадре»; интегрированную линию задержки яркостного сигнала с переключаемым временем задержки; многостандартный цифровой декодер с системой автоматического поиска и расширенными возможностями принудительного режима; интегрированную линию задержки сигнала цветности на время одной строки; линейный RGB/ YPBPR-вход для реализации OSD-меню. В блоке демодуляции и обработки промежуточной частоты радиосигнала усилитель ПЧ состоит из трёх связанных по переменному току каскадов. Коэффициент усиления каскадов управляем и в максимальном положении может превышать 66 дБ. Демодуляция видеосигнала осуществляется посредством ФАПЧ регенератора несущей.

Система ФАПЧ реализована на базе встроенного ГУН и не требует внешних настроек. ГУН калибруется цифровой схемой управления, использующей тактовую частоту 24,576 МГц в качестве опорной. Такая архитектура позволяет легко использовать фильтр на ПАВ с различными характеристиками. Данная коррекция осуществляется на демодулированном ПЦТС-сигнале. Дополнительно можно подключить режекторный фильтр звука с задаваемой центральной частотой. В блоке понижения ПЧ звукового сигнала звуковой усилитель ПЧ аналогичен видеоусилителю ПЧ и имеет внешний конденсатор АРУ. Смеситель квазипараллельного канала звука (QSS) реализован перемножением сигнала звука на несущую, полученную в блоке обработки ПЧ-сигнала. Выходной сигнал со смесителя поступает на выход схемы через НЧ-фильтр, исключающий побочные продукты на частоте несущей из спектра сигнала. Это позволяет достичь последующей высококачественной обработки звука. Чтобы обеспечить правильную амплитуду выходного сигнала, в систему введена дополнительная схема АРУ. В блоке демодуляции АМ-сигнала звука демодулятор АМ также реализован на базе перемножителя. Модулированный ПЧ звуковой сигнал, пройдя через амплитудный ограничитель, перемножается сам на себя. Сигнал с выхода демодулятора АМ проходит через ФНЧ для удаления гармоник несущей частоты. В блоке коммутации входных/выходных видео-, аудиосигналов входной аудиоселектор имеет семь внешних стереовходов, стереовыход для SCART со свободной коммутацией, стереовы-

Рис.1. Блок-схема ИС ILA8891

М У Л ЬТ И М Е Д И А И Т Е Л Е К О М

60

ход для SCART с жесткой коммутацией и стереовыход для последующей обработки в аудио DSP. Коэффициент передачи от внешнего аудиовхода до выхода SCART может устанавливаться в 0 или 6 дБ в зависимости от бита DSG. Напряжение питания 5 В обеспечивает амплитуды входных и выходных сигналов 1 В. Для обеспечения SCART-спецификации амплитуда аудиосигналов должна быть 2 В. Чтобы реализовать данное требование, необходимо задавать напряжение питания 8 В. Вход питания аудиоключей изолирован от основного питания видеопроцессора и допускает подачу 8 В, в то время как остальные блоки ИС запитываются от 5 В источника питания. В режиме 8 В коэффициент передачи равен 6 дБ. Блок коммутации ПЦТС, Y/C и и RGB/ YPRPB -входов/выходов имеет четыре входа для внешних ПЦТС-сигналов. Все ПЦТС-входы могут работать как входы яркостного сигнала в режиме Y/C-сигналов. Видеопроцессоры имеют один внешний RGB/YPRPB-вход, который может использоваться для передачи основного изображения или для фор-

WWW.ELCOMDESIGN.RU

мирования OSD-меню. Для большей гибкости подключение сигналов CVBS/ YЗ и СЗ может быть реализовано через RGB-выходы. Коммутатор ПЦТС имеет также переключаемый выход для цветного изображения, обрабатываемого в схеме «кадр в кадре». Выходная информация присутствует на выводах YOUTPIP/ PBOUTPIP/PROUTPIP. Выбор различных входов осуществляется через биты INAIND и CS1A-CS1D. Когда выходы YOUTPIP/ PBOUTPIP/PROUTPIP не используются для схемы «кадр в кадре», рекомендуется выбрать для них тот же источник, что и для выхода MAINVIDOUT. Таким образом обеспечивается максимальное качество изображения, т.к. формируется оптимальная синхронизация. Функция вывода VIDOUTS2 определяется битами SVO 0/1. На данный вывод могут подаваться демодулированный ПЧ-видеосигнал, ПЦТС-сигнал, выбранный для схемы «кадр в кадре» или ПЦТС-сигнал, выбранный для основного изображения. Для CVBS(Y/C)-входов схема может определять наличие сигнала на выбранном входе. Чтение бита YCD из регистра может использоваться

для установки переключателя в правильное положение (битами INA-INE). Схема видеоидентификации может подключаться к выбранному входу для YOUTPIP/PB OUTPIP/PR OUTPIP-выходов или к CVBS1-входу. Переключение осуществляется посредством бита CMSS. Эта схема идентификации может работать независимо от синхронизации и используется для переключения постоянной времени строчного ФАПЧ в зависимости от наличия видеосигнала (бит VID). Таким способом обеспечивается стабильность изображения в любых условиях. Результат работы схемы видеоидентификации определяет состояние бита SID. В состав видеопроцессоров входит схема синхроселектора, которая выделяет строчные и кадровые синхроимпульсы. Для получения точных временных характеристик в случае со схемой «кадр в кадре» входным сигналом для синхроселектора может являться только вывод YOUT. По этой причине вывод YOUT соединяется через конденсатор с выводом YSYNC. Время задержки между различными входами и сигналом YOUT может

быть значительным. Выбирая сигнал YOUT как входной для синхроселектора, можно исключить влияние этих сдвигов на положение изображения. Только для RGB-сигналов без синхронизации в канале G вход синхроселектора может быть подключен к одному из CVBS-входов. Данный выбор реализуется битом SYS. Выход строчного синхроимпульса HSYNCPIP получается из внутреннего ГУН, который работает на частоте 25 МГц. Этот генератор стабилизирует частоту по опорному входному тактирующему сигналу. Чтобы получить устойчивую картинку в режиме «кадр в кадре» в отсутствие входного сигнала, необходимо либо выключить фазовый детектор 1, либо включить его в режим слабого усиления. Условия по входу определяются схемой видеоидентификации. Схема видеоидентификации может автоматически переключать фазовый детектор 1 в состояние минимального усиления, когда отсутствует входной сигнал. Такой режим работы может быть включен сбросом бита VID. Когда бит VID установлен в «1», режим работы фазового детектора определяется битами FOA/FOB или POC. Когда режим «кадр в кадре» не используется, схема видеоидентификации может подключаться к любому CVBS-входу. Кадровая синхронизация реализуется схемой делителя. ИС ILA8890/91 используются как входные процессоры для ЖК ТВ-приемников. В этом применении кадровые и строчные сигналы синхронизации можно использовать по выводам HSYNCPIP и V/HSYNCPIP. Полярность этих сигналов положительная. Битом VXORH можно выбрать кадровые и строчные импуль-

сы или только кадровые на выводе V/HSYNCPIP. Полосовые и режекторные фильтры в канале цветности (включая фильтр Клоше в схеме обработки сигнала стандарта SECAM) осуществляются посредством внутренних фильтров, подстраивающихся по опорной частоте. Эти фильтры можно программно включать и отключать. В блоке многостандартного декодирования сигнала цветности ИС декодирует сигнал цветности в системы PAL/ NTSC/SRCAM. PAL/NTSC-декодер не требует внешнего кварцевого резонатора, потому что имеет встроенный генератор, который стабилизируется по тактовой частоте, присутствующей на выводах CLKIN/P (частота = 24,576 MГц ±45 Гц) В условиях плохого сигнала (например, сигнала видеомагнитофона) может оказаться, что детекторы цвета выключаются, несмотря на то, что ФАПЧ все еще находится в режиме захвата. Когда необходимо включить детекторы цвета принудительно и перевести декодер в определенную систему, нужно установить бит FCO. Чувствительность детекторов цвета PAL/NTSC может быть отрегулирована битами CHSE1/CSHSEO. Схема автоматического ограничения цвета ACL (включаемая битом ACL) предотвращает насыщение, возникающее при приёме сигналов с большим отношением сигнал/вспышка. Схема ACL разработана так, что уменьшает сигнал цветности, не действуя на сигнал цветовой синхронизации, поэтому работа ACL не влияет на чувствительность детектора цвета. Декодер SECAM включает автокалибрующийся ФАПЧ-демодулятор, формирующий две поднесущие частоты.

Калибровка осуществляется каждый кадр во время обратного хода от тактового сигнала с микроконтроллера с использованием опорного напряжения. Частота B-Y демодулятора может быть дополнительно подстроена битами SB01/SB00. Линия задержки сигнала цветности на длительность одной строки также интегрирована. Цветоразностные сигналы подключаются к линии задержки, не выходя наружу. Линию задержки можно отключить битом BPS. В блоке формирования выходных сигналов для режима «кадр в кадре» ИС ILA8891 формирует выход YPRPB, который может использоваться в цветной системе «кадр в кадре» во внешнем видеоскалере. Любой из присутствующих в видеопроцессоре входов может быть подключен к выходу YPRPB. Для этого схема имеет входную матрицу, конвертирующую RGB входные сигналы в YPRPB-стандарт. Гибкость схемы позволяет реализовать следующую ситуацию: цифровой декодер цветности видеоскалера обрабатывает ПЦТС-сигнал со входа SCARTразъема, ИС ILA8891 пересчитывает RGB-сигнал со SCART-разъема в YPRPBвыход. Таким образом два входных сигнала можно смикшировать в различных режимах. Видеопроцессоры данной серии полностью управляются через I2С-шину. Управление осуществляется посредством записи данных в один (или более) внутренний регистр. Информация состояний может быть прочитана микроконтроллером в любое время. Максимальная частота передачи данных через I2С-шину — 400 Кбит/с. Для видеопроцессоров ILA8890/91 подадрес равен 8ЕНЕХ.

СОБЫТИЯ РЫНКА

www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №2 2011

61 М У Л ЬТ И М Е Д И А И Т Е Л Е К О М

| APPLE И TSMC РАСШИРЯТ РАМКИ ФАУНДРИ-СОТРУДНИЧЕСТВА | Компании Apple и TSMC укрепляют фаундри-сотрудничество в ущерб Samsung Electronics. Недавно Apple и TSMC без лишнего шума заключили соглашение, в рамках которого они займутся производством двухъядерных процессоров А5 для планшетов iPad 2 компании Apple. Есть сведения, что Apple воспользуется 40-нм технологией TSMC для выпуска А5. Кроме того, Apple станет работать по технологии 28 нм совместно с TSMC. Такое партнерство можно расценить как удар по Samsung, которая производит процессоры А4 для планшета iPad как фаундрикомпания. Samsung также изготавливает процессоры для «айфонов». Пока не ясно, будет ли Samsung заниматься выпуском А5. Apple самостоятельно разработала процессоры А4 и А5 для «айфонов» на основе технологии ARM. Возможными причинами сотрудничества Apple с TSMC являются следующие: Samsung — конкурент Apple по «айфонам» и iPad; TSMC располагает самой совершенной 40-нм технологией среди фаундри-компаний; у TSMC — самые большие производственные мощности по реализации этой технологии.

Samsung, Motorola, RIM и многие другие компании также продают планшетные ПК. По мнению аналитиков VLSI Research, велик риск затоваривания данного рынка. При этом многие компании не смогут конкурировать с Apple по ценовому показателю. Если к концу года рынок планшетов затоварится, фаундри-компании с их большими капитальными расходами серьезно пострадают. Согласно отчету исследовательского агентства FBR, темпы роста производства iPad 2 оказались выше ожидаемых. Так, в I кв. 2011 г. количество планшетов составит 5,5 млн шт. вместо предполагавшихся 5,1 млн. Кроме того, вместо планировавшихся 300 тыс. будет произведено около 2 млн iPad 2 благодаря оперативному решению вопроса поставки сенсорных панелей. Во II кв. 2011 г. аналитики FBR прогнозируют выпуск 7,2 млн iPad. По оценкам агентства, в 2011 г. будет произведено 45 млн iPad.

х про-

Гц

ала)

Усилители датчиков тока для разных приложений БРАЙАН БЛЭК, менеджер по продажам, Linear Technology В статье рассказывается о преимуществах высокопотенциальных датчиков тока для построения схем контроля и управления. Представлены характеристики современных интегральных схем (ИС) для высокопотенциальных датчиков тока, которым отлично соответствует микросхема LT6102 компании Linear Technology, позволяющая измерять токи очень малых величин.

62

По мере возрастания автоматических систем управления с обратной связью всё большее применение в них находят датчики, способные с высокой точностью измерять токи. Примерами таких устройств могут служить регуляторы скорости вращения двигателей, яркости светодиодов и т.д. Для измерения тока последовательно с нагрузкой включается резистор, а специальный усилитель повышает падающее на нём напряжение и изолирует его от управляющей цепи. Новые усилители, специально приспособленные для решения этой задачи, находят широкое применение в различных областях — в устройствах связи, компьютерах, автомобилях и т.д. Существуют два метода включения датчиков тока — в цепь земли и в высокопотенциальную цепь. В обоих случаях резистор с небольшим сопротивлением включается в токопроводящую цепь, а падение напряжения на нём, пропорциональное протекающему току, служит входным сигналом для усилителя. В первом случае датчик включается между нагрузкой и землёй, при высокопотенциальном методе — между положительным выводом источника питания и нагрузкой. Оба метода имеют свои преимущества и недостатки. Основным преимуществом низкопотенциального метода является то, что синфазный сигнал на входе усилителя мал и, следовательно, его напряжение питания тоже может быть небольшим. Однако при этом возникает несколько проблем, нивелирующих все преимущества этого метода. Первая состоит в том, что необходимо иметь только один провод заземления, чтобы через датчик проходил весь ток нагрузки. Если земляным проводом служит металлический корпус устройства, вставить в него токочувствительный резистор довольно сложно. Кроме того, земляной провод не является идеальным проводником, в различных его точках может быть разное напряжение, так что для точного измерения тока требуется дифференциальный усилитель. Однако, вероятно, самой серьёзной проблемой является то, что включение резистивного датчика тока в земляной провод означает наличие разницы потенциалов между землёй самого устройства и общим земляным проводником. Это может внести ошибки в работу системы и затрудняет связь между узлом, в котором измеряется ток, и остальной частью системы. Поскольку погрешность измерений определяется в данном случае напряжением на датчике, то это напряжение разработчик вынужден рассматривать как помехи (или шум) по цепи земли и стремиться его уменьшить. В результате типичное максимальное напряжение датчика VSense в 100 мВ превращается в 100 мВ шумов в измерительных цепях. Проблему с внесением шумов можно полностью исключить 1

включением датчика в высокопотенциальную цепь — между «плюсом» источника питания и нагрузкой. Этот подход, как уже говорилось ранее, называется высокопотенциальным методом. Он позволяет избежать проблем, связанных с низкопотенциальным включением, однако и у него есть свои недостатки. В этом случае также используется низкоомное сопротивление, разность потенциалов на выводах которого пропорциональна протекающему току. Однако при этом на обоих его выводах присутствует достаточно большой потенциал, равный напряжению источника питания и являющийся для усилителя датчика синфазным входным сигналом. Т.е усилитель должен правильно работать в условиях малого дифференциального и большого синфазного сигналов. Для низковольтных систем принято использовать обычные инструментальные усилители, способные работать с сигналами «от питания до питания». Выход таких усилителей даст нужный сигнал, привязанный к земле, без существенной ошибки. Однако при больших напряжениях в измеряемой цепи, скорее всего, придётся преобразовывать сигналы с датчика в приемлемый для усилителя диапазон или организовывать «плавающее» питание для усилителя. Такие дополнительные схемы увеличивают стоимость и место, занимаемое датчиком на плате, но при этом правильная работа обеспечивается только тогда, когда синфазное напряжение остаётся в довольно узком, заранее известном, диапазоне. Однако в большинстве случаев полезно было бы обеспечить нечувствительность датчика к изменению синфазного напряжения. Например, если схема датчика тока останется работоспособной при падении выходного напряжения источника питания, это поможет определить, где возникла проблема — в нагрузке или в самом источнике питания. Возрастание тока в нагрузке указывает на возможную неисправность в ней, а падение напряжения на выходе источника питания при неизменном или падающем токе в нагрузке — на неисправность самого источника питания. Множество устройств, ток в которых надо измерять, являются индуктивностями (например, двигатели или соленоиды), и изменение тока через них сопровождается появлением ЭДС самоиндукции, что вызывает существенные изменения синфазного напряжения на датчике тока. Очевидно, что для таких измерений следует использовать и соответствующий усилитель 1. ПРОСТОЕ РЕШЕНИЕ

Усилители сигнала датчиков тока специально сконструированы так, чтобы облегчить решение этой проблемы.

Для переключаемой или коммутируемой нагрузки включение датчика между ключом и нагрузкой вызовет появление большой и, скорее всего, высокочастотной синфазной помехи. Даже у усилителей с очень высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала этот коэффициент существенно снижается при повышении частоты этого сигнала, приводя к довольно большой ошибке измерения. Чтобы избежать таких помех, резистор датчика следует включать там, где он не будет подвержен влиянию коммутационных помех.

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Vout = G RSENSE ISENSE,

(1)

где произведение усиления G на сопротивление датчика представляет собой усиление преобразователя в целом. Следовательно, увеличение сопротивления датчика может потребоваться при использовании усилителя с фиксированным или ограниченным коэффициентом усиления. Фактически входной диапазон допустимых напряжений усилителя и максимальный ожидаемый ток в нагрузке и определяют максимальное значение сопротивления датчика: .

Рис. 1. Типичная схема включения высокопотенциального измерителя тока

(2)

Например, если максимальный ток в нагрузке составляет 50 мА, а диапазон входных напряжений усилителя равен 250 мВ, то максимальное сопротивление датчика при этом равно 5 Ом. В идеале разработчик не должен увеличивать сопротивление датчика для компенсации недостаточного усиления. Если усилитель имеет достаточно большое усиление и хорошую точность, разработчик должен использовать минимально возможное сопротивление датчика тока, величина которого определяется необходимой разрешающей способностью и напряжением смещения усилителя: . Рис. 2. Использование LT6102 как усилителя датчика тока

64

Они способны выделять малый дифференциальный сигнал на фоне большого синфазного, усиливать его и преобразовывать в сигнал относительно земляного провода. На рисунке 1 показана типичная структура такого усилителя. В данном случае усилитель управляется напряжением на резисторе RIn, которое равно напряжению на датчике тока RSense. При этом ток через резистор RIn преобразуется в ток через резистор ROut, позволяя получить выходное напряжение, привязанное к земляному проводу. Для обеспечения достаточной точности преобразования используемый в этой схеме усилитель должен обладать высоким входным сопротивлением и большим усилением, а также большим коэффициентом ослабления синфазного сигнала при широком диапазоне допустимых синфазных сигналов. Все эти характеристики оказывают серьёзное влияние на точность преобразования. В идеале измеритель тока или напряжения не должен оказывать влияния на нагрузку, к которой он подключён. Для измерителя напряжения это означает требование бесконечно большого входного сопротивления, чтобы не вызывать дополнительного тока в нагрузке. Соответственно, измеритель тока должен в идеале иметь нулевое входное сопротивление, чтобы не вызывать изменения напряжения на нагрузке. Высокопотенциальный измеритель тока (т.е. комбинация резистора датчика и усилителя) обязан отвечать обоим требованиям: датчик тока должен иметь как можно меньшее сопротивление, а усилитель, преобразующий падение напряжения на нём — как можно большее. Чтобы лучше понять это, давайте рассмотрим, что произойдёт при использовании датчика тока с большим сопротивлением. По мере увеличения сопротивления датчика уменьшается приложенное к нагрузке напряжение, а соответствующее увеличение напряжения на датчике ведёт к увеличению его нагрева, что снижает надёжность системы. Основной причиной для увеличения сопротивления датчика является увеличение выходного напряжения всей схемы, как показывает уравнение 1:

WWW.ELCOMDESIGN.RU

(3)

Например, если необходимая разрешающая способность составляет 1 мА, а напряжение смещения усилителя равно 1 мВ, то минимальное сопротивление датчика составляет 1 Ом. Уравнение (3) является самым важным, т.к. показывает прямую связь параметров датчика с характеристиками усилителя. ХАРАКТЕРИСТИКИ СОВРЕМЕННЫХ ИС ДЛЯ ВЫСОКОПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ ТОКА

Современные ИС усилителей обеспечивают кардинальное улучшение параметров. Например, новая микросхема LTC6102 (см. рис. 2) производства Linear Technology выполнена с использованием технологии с нулевым дрейфом. В результате приведённый ко входу дрейф составляет всего 10 мкВ, а температурный коэффициент дрейфа не превышает 50 нВ/°C. Следовательно, с этой ИС можно использовать на порядки меньшие сопротивления датчиков тока, чем с ИС предыдущего поколения. В то же время максимально допустимое входное напряжение LT6102 составляет 2 В, что позволяет при низкой чувствительности нагрузки к высоким сопротивлениям датчиков тока увеличивать их значения. Такое сочетание большого допустимого входного напряжения с малым напряжением смещения даёт динамический диапазон входных напряжений в 106 дБ, позволяя измерять токи в несколько ампер с разрешающей способностью в микроамперы. Поскольку усиление ИС устанавливается внешним резистором, то можно использовать эту ИС для измерения очень малых токов, а при использовании прецизионных резисторов можно получить погрешность установки коэффициента усиления меньше 1%. Улучшение этих характеристик не вызвало ухудшения других параметров. Например, входной ток смещения не превышает 300 пА, а максимальное синфазное напряжение составляет 105 В. При этом ослабление синфазного напряжения — не менее 130 дБ, что обеспечивает увеличение напряжения смещения всего на 32 мкВ при напряжении на датчике в 100 В. В то же время высокое быстродействие усилителя (время установления выходного сигнала составляет 1 мкс) позволяет использовать его для аварийного отключения при неисправностях в нагрузке или источнике питания.

УСИЛИТЕЛИ ДЛЯ РАЗНЫХ ТРЕБОВАНИЙ

Типовую схему включения можно с лёгкостью заменить другой, приспособленной под иные требования. Например, эту ИС можно с успехом использовать в полумостовых драйверах электродвигателей для измерения токов в плечах, что является, вероятно, самым эффективным способом измерения токов ключей и обнаружения неисправностей. Очень удобно для этого использовать сдвоенный усилитель LT6103, в котором имеются две прецизионные схемы высокопотенциальных усилителей для токовых датчиков. В системах с автономным питанием ток в цепи батареи может течь в двух направлениях (при зарядке и разрядке). В этом случае целесообразно применить ИС LT6104, интересной особенностью которой является возможность использования различных сопротивлений в качестве датчиков тока разряда и заряда (хотя не возбраняется и применение в обоих случаях одного и того же датчика). Использование отдельных резисторов может потребоваться потому, что токи в режимах заряда и разряда могут существенно отличаться и применение резисторов с разным сопротивлением позволяет разработчику выбрать подходящую для каждого режима точность измерительной цепи. В некоторых случаях желательно иметь возможность измерения тока в широком диапазоне потенциалов измерительной цепи, в том числе при нулевом потенциале

на датчике. Это позволяет точно измерять токи даже при коротком замыкании в нагрузке. В этих условиях можно использовать микросхему LT6105. В тех случаях, когда аппаратура должна работать при высоких температурах, следует применить ИС LT6107, способную работать при температурах до 150°C. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Усилители для высокопотенциальных датчиков тока позволяют получить множество преимуществ при построении контрольных и управляющих схем. Расширение использования, например, систем с батарейным питанием и систем управления двигателями существенно увеличило спрос на усилители с большим допустимым синфазным напряжением и повышенной точностью. Отвечая на эти запросы, LT6102 стала надёжной основой для построения схем с большой точностью измерений и широким диапазоном применения, а также основой для создания других микросхем для специфических приложений. В результате усилители высокопотенциальных датчиков тока соответствуют теперь лучшим образцам современных аналоговых ИС, став прекрасной альтернативой менее точным и более сложным в использовании схемам предыдущего поколения. Дополнительную информацию о микросхемах Linear Technology см. в руководстве по применению, где представлены схемы для измерения тока (www.linear.com/ currentsense).

СОБЫТИЯ РЫНКА | 60-% СНИЖЕНИЕ ЦЕН НА СРЕДСТВА РАЗРАБОТКИ ДЛЯ ПРОЦЕССОРОВ BLACKFIN® | Компания Analog Devices объявила о начале акции, в соответствии с которой можно приобрести со скидкой до 60%: комплект из полной лицензии VisualDSP++® и бюджетного JTAG-эмулятора (ADZS-ICE-100B); комплект из полной лицензии VisualDSP++® и высокопроизводительного JTAG-эмулятора (ADZS-HPUSB-ICE). В акции также участвуют отладочные платы для процессоров семейства Blackfin (Blackfin EZ-KIT Lite и EZ-Board), которые можно приобрести со скидкой $50. С 31 января по 30 апреля 2011 года при покупке в компании «Элтех» любого из участвующих в акции комплектов Вы заплатите всего лишь 40% от суммарной стоимости входящих в комплект средств разработки: экономия до 60%: ADZS-BLKFN-BUNDLE за $2995*; экономия до 55%: ADZS-100B-BUNDLE за $1995*; экономия до $50: ADI-BLACKFINPROMO (при заказе необходимо указать тип отладочной платы). Данная акция позволит российским разработчикам максимально снизить затраты на разработку проектов с использованием процессора Blackfin®. *Цены указаны без стоимости доставки и налогов. Стоимость в рублях на текущий день можно узнать в офисах компании «Элтех». www.eltech.spb.ru

| РЫНОК ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ОСВЕЩЕНИЕМ УДВОИТСЯ К 2016 г. | Расходы электроэнергии на освещение составляют приблизительно 17,5% от всей потребляемой электроэнергии в мире, при этом освещением в коммерческих зданиях управляют в основном обычные выключатели. Между тем, интеллектуальные системы управления позволяют значительно экономить электроэнергию за счет способности реагировать на условия окружающей среды. Например, определяя наличие людей в помещении и его естественную освещенность, система обеспечит столько искусственного света, сколько требуется. По данным доклада Pike Research, рынок интеллектуальных систем управления освещением существенно растет, и компания прогнозирует его увеличение с 1,3 до 2,6 млрд долл. к 2016 г. При агрессивном развитии сценария предполагается, что рынок может вырасти более чем на 3,5 млрд долл. Pike Research ожидает, что крупнейшими рынками сбыта интеллектуальных средств управления освещением станут офисы и образовательные учреждения. Значительную часть рынка займут объекты здравоохранения, предприятия розничной торговли, гостиницы и рестораны. Компания прогнозирует, что приблизительно 73% систем контроля освещения будут установлены в процессе переоснащения зданий, а 27% будут включены в новое строительство. www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №2 2011

65

КЛЮЧЕВЫЕ МОМЕНТЫ ПРИ ВЫБОРЕ SUPER-JUNCTION MOSFET ДЖОН ХЭНКОК (JON HANCOCK), главный инженер, Infineon Technologies

Десятилетняя эволюция развития технологии Super-Junction MOSFET достигла пределов применения кремниевых технологий. Уменьшение сопротивления канала RDS[ON] на единицу площади активной зоны и продолжающееся снижение размеров кристалла улучшают соотношение стоимость/производительность [1]. Однако эти достижения не решают всех проблем разработчиков источников питания. Фактически, успех в решении некоторых вопросов, связанных с зарядом затвора, привел к усложнению задачи разработки надежных схем из-за недостаточно хорошо проработанной топологии [2]. В силу этого обстоятельства возникла необходимость лучше понять, как электрические характеристики высоковольтных MOSFET влияют на работу конкретного приложения, чтобы затем их оптимизировать. И только после этого становятся понятными модели функционирования различных топологий схем. Придерживаясь такой методологии, попробуем проанализировать эволюцию Super-Junction MOSFET, начиная с появившихся 10 лет назад CoolMOS™, и определить перспективы развития этого направления. Во-первых, удалось значительно снизить RDS[ON] по сравнению с технологией, популярной 10 лет назад в PCIM (Power Conversion Intelligent Motion). В 2005 г. технология CoolMOS позволила уменьшить RDS[ON] с 39 до 25 мОм/см2 [3, 4]. Данная технология также дала возможность существенно уменьшить заряд затвора QGD MOSFET в целом на 60—65%. На рисунке 1 для сравнения приведены характеристики заряда затвора для трех семейств полевых транзисторов диапазона 190…199 мОм:

ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

66

C3 (2003), CP (2005) и C6 (2009) при токе нагрузки 20 А. С учетом значительного снижения выходной емкости COSS, играющей основную роль в механизме потерь в режиме жесткого переключения, эффективность переключения семейства CP значительно превзошла эффективность семейства C3 [3—5]. Это очень хорошо, но остальные характеристики MOSFET не улучшились. СЛИШКОМ БЫСТРОЕ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ?

Из всего многообразия схемотехнических решений и режимов работы рассмотрим только наиболее распространенные из них. Основная категория преобразователей реализована на основе однотактных схем, которые используют жесткое переключение и работают либо в прямом или инверсном режимах (прямоходовые, обратноходовые или повышающие преобразователи), либо в режимах DCM (Discontinuous Conduction Mode — режим прерывистых токов), CrCM (Critical Conduction mode — режим критической проводимости), либо CCM (Continuous Conduction Mode — режим непрерывных токов). Первые два режима характеризуются треугольной формой токового сигнала с нулевым первоначальным

Рис. 1. Сравнение зарядов затворов для устройств CoolMOS C3, C6, CP группы 190 мОм при ID = 20 A

WWW.ELCOMDESIGN.RU

током и низкими потерями при включении, а также следующими требованиями к рабочим характеристикам: минимальное сопротивление в проводящем состоянии и малые потери при выключении на большом токе. В данном случае концепция Super-Junction MOSFET работает хорошо из-за низкого RDS[ON] и нелинейного сглаживающего эффекта выходной емкости [3, 4]. Низкие COSS также ведут к малым EOSS при включении, поддерживая DCMрежим. В таких схемах режим выключения квази-ZVS (ZVS — отключение при нулевом напряжении) способствует повышению эффективности, поскольку канал проводимости быстро закрывается и выходная емкость заряжается током индуктивной нагрузки. Низкий заряд затвора CoolMOS CP определяется малой величиной емкости затвор-сток, что повышает скорость переключения, но снижает «контроль» над величиной di/dt. В большинстве рассматриваемых схем, работающих в паре с трансформатором, это обстоятельство не приводит к каким-либо затруднениям, поскольку внутренний импеданс схемы стремится ограничить di/dt и dV/dt. Разработчикам повышающих PFC-преобразователей приходится при высоких значениях di/dt и dV/dt уделять особое внимание низким импедансам схемы и потенциалам. Обратной стороной небольшого заряда затвора является низкая проходная емкость CRSS и большая чувствительность к разводке печатной платы. На рисунке 2 иллюстрируется функциональная схема MOSFET вместе с паразитными элементами печатной платы, которые в определенных случаях приводят к возникновению колебательных процессов в моменты включения и выключения. Кроме внутренней емкости обратной связи сток-затвор имеется внешняя емкость, главным образом определяемая корпусом MOSFET и проводниками платы. Хуже того, влияние внешней емкости совместно с паразитными индуктив-

Рис. 2. При совместной работе MOSFET и печатной платы следует учитывать влияние внутренних и внешних емкостей

Рис. 3. Снижение Qrr и сглаживание наклона при отключении тока улучшает поведение встроенного диода в режиме переключения для CFD-устройств

ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

68

ностями ведет к появлению дополнительного фазового сдвига. Основным способом борьбы с этим является минимизация внешней емкости между стоком и затвором. Кроме того, можно прибегнуть и к таким паллиативным мерам как использование ферритовых колец с большими резистивными потерями порядка 30…50 Ом на частоте 100 МГц [1]. Таким образом, на практике достигается быстрое переключение. Однако для некоторых схем и приложений оно может оказаться слишком быстрым. ВЗВЕШЕННЫЙ ПОДХОД

Итак, если для одного класса приложений хорошо подходят MOSFET семейства СР, характеризующиеся низкими потерями при выключении и очень быстрым переключением, то для других приложений необходим более взвешенный подход. Для этого в 2009 г. были разработаны MOSFET семейств C6/E6, позволяющие контролировать di/dt и dV/dt в широком диапазоне токов нагрузки.

WWW.ELCOMDESIGN.RU

В таких устройствах как двухтактный преобразователь, в котором через встроенный диод может протекать или не протекать реактивный ток, необходимо отслеживать скорость переключения, даже если MOSFET при быстром переключении работает довольно-таки надежно. Это следует из ограничений, характерных для большинства плавающих драйверов (floating drivers) или драйверов с полумостовой конфигурацией, у которых часто верхний предел CMRR (Common Mode Rejection Ratio — коэффициент ослабления синфазных сигналов) находится в диапазоне 15…40 В/нс. Поскольку уменьшение выходной емкости снижает потери при включении, dV/dt повышается. Контроль над di/dt и dV/dt должен осуществляться с высокой скоростью в широком диапазоне токов нагрузки, что необходимо для того, чтобы при увеличении тока нагрузки поддерживалась заданная скорость переключения выходных импульсов. Это требование следует учитывать при расчете емкости затво-

ра и обеспечении управления скоростью переключения затвора в широком диапазоне токов стока вплоть до типовых максимальных значений напряжений около 400 В. Еще более строгие требования предъявляются к рабочему режиму встроенного диода и его быстрого восстановления после переключения. Необходим внимательный подход к разработке встроенного диода, а также к емкости затвора, чтобы обеспечить согласованную и надежную работу таких мощных силовых мостов, а также управлять скоростью di/dt и пиковым напряжением при коммутации. Для этого требуется оптимизировать процесс рекомбинации носителей, что позволит уменьшить объемный заряд Qrr встроенного диода [6]. Необходимость данного требования еще более велика для SuperJunction MOSFET с их компенсационными структурами, поскольку они ограничивают рост напряжения на диоде до тех пор, пока практически все носители не будут удалены с нижнего эпитаксиального слоя рядом с подложкой. Это обычно приводит к резкому падению тока и высоким значениям di/dt в конце интервала переключения. Высокие значения di/dt, в свою очередь, приводят к появлению dv/dt на индуктивности контура преобразователя, что ведет к возникновению всплесков перенапряжений и лавинообразных пробоев. На рисунке 3 показано, как совершенствование технологии и схемы позволяет улучшить суммарный Qrr и наклон di/dt в конце фазы восстановления. ВОЗМОЖНОСТИ УЛУЧШЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК

Рассмотренный подход показал, что в высоковольтных MOSFET можно улучшить не только RDS[ON]. Однако после анализа публикаций на эту тему становится ясным, что разработчики стремятся улучшать именно этот параметр (см. рис. 4). Однако данные публикации являются только вершиной айсберга и не раскрывают всех направлений работы лидеров индустрии. Проблемы с улучшением RDS[ON]в Super-Junction MOSFET заключаются не в формировании концептуального представления о необходимых структурах, а в развитии реальных производственных технологий, приводящих к улучшению Cpk (индекса воспроизводимости процесса). Причина этих проблем лежит в фундаментальных физических взаимоотношениях, требуемых для получения низкого RDS[ON], к числу которых относится соотношение геометрических размеров столбиков, ограничивающее степень леги-

логий Trench Filling. Однако история показывает, что мы запаздываем только с высокопроизводительными приложениями со средним бюджетом, но не с гораздо более дорогостоящими решениями на базе SiC и GaN, скачок развития которых ожидается в 2011—2012 гг. Вероятно, тогда на рынке специализированных приложений появится широкий ряд изделий с характеристиками, удовлетворяющими спросу потребителей с разным бюджетом.

Рис. 4. SJ MOSFET, реализованные по технологии Trench Filling с самыми низкими показателями RDS[ON] из обзора опубликованных работ

рования, которое используется для достижения заданного блокирующего напряжения. Соотношение геометрических размеров Super-junction столбика определяется выражением: ASJ = tSJ/WSJ, где tSJ — высота столбика для компенсации заряда (р-столбики под основными р-карманами); WSJ — период ячеек. Тогда для SJ MOSFET: . Из этих соотношений следует вывод о необходимости изготовления столбиков с высоким соотношением геометрических размеров и периодичностью, а также о потребности соблюдения баланса зарядов при достаточно высоких уровнях легирования. На рисунке 4 представлены значения RDS[ON], достигнутые различными кампаниями. В большинстве слу-

чаев вместо традиционной технологии многослойного эпитаксиального выращивания с отжигом, используемой для большей части существующих поколений серийно выпускаемой продукции, применялся метод Trench Filling, позаимствованный из технологии изготовления DRAM. В последних публикациях [7] внимание уделено недавно разработанным методам измерений и анализа, позволяющих определять количество структур и оценивать ход процесса для контроля над серийным производством. Другие технологические подходы, например имплантация при высоких энергиях, продемонстрировали свою состоятельность в лабораторных условиях, но пока недостаточно проработаны для внедрения в промышленные системы [8]. Несмотря на то, что в [9] еще в 2005 г. был предсказан дальнейший заметный технологический прогресс, он пока медленно осуществляется в коммерческих масштабах, возможно, из-за проблем с серийным внедрением техно-

ЛИТЕРАТУРА 1. J. Hancock, F. Bjork, G. Deboy.

“AN-CoolMOS-CP-01 Application Note CoolMOS CP”//Infineon Technologies AG. Austria.

2. L. Lorenz, I. Zverev, J. Hancock. “Second Generation CoolMOS Improves on Previous Generation’s Characteristics”//PCIM Magazine.

Nov. 2000.

3. J. Hancock. “Meeting the Challenge for OfflineSMPS Through Improved Semiconductor Current Density”.

4. J. Hancock. “Superjunction FETs BooST Efficiency in PWMs”//Power Electronics Technology Magazine. July 2005.

5. J. Hancock. “Bridgeless PFC Boosts Lowline Efficiency”//Power Electronics Technology Magazine. February 2008.

6. G. Deboy, J. Hancock, M. Puerschel, U. Wahl, A. Willmeroth. “Compensation devices solve failure mode of the Phase Shift ZZVS Bridge during light load operation”//Proceedings APEC Conference 2002.

7. S. Ono, L. Zhang, H. Ohta, M. Watanabe, W. Saito, S. Sato, H. Sugaya, and M. Yamaguchi.

“Development of 600V-class trench filling SJ-MOSFET with SSRM analysis technology”// ISPSD 2009.

8. M. Rub, M. Bar, G. Deboy, F.J. Niedernostheide, M. Schmitt, H. Schulze, Al. Willmeroth. “550V Superjunction 3.9 Ω/mm2 Transistor Formed by 25 MeV Masked BoRDS [on] Implantation”//ISPSD 2004.

9. I. Bencuya. “The Future of Power Semiconductors”//APEC 2005 Plenary.

СОБЫТИЯ РЫНКА

ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

70

| TEXAS INSTRUMENTS ОТТЕСНЯЕТ FREESCALE И NXP | По данным ABI Research, компания Texas Instruments (TI) заняла первое место в рейтинге Vendor Matrix среди поставщиков интегральных схем стандарта 802.15.4. На втором и третьем местах, соответственно, компании Freescale Semiconductor и NXP Semiconductors.

Vendor Matrix — аналитическое средство компании ABI Research, обеспечивающее четкое понимание положения вендоров в тех или иных сегментах рынка. Вендоры оцениваются по таким важным параметрам как «инновация» и «внедрение». Первый параметр охватывает ряд характеристик поставляемой продукции, включая энергопотребление, Rx-чувствительность, размеры памяти, параметры микроконтроллеров, форм-фактор, а также наличие стека протоколов. Под вторым параметром подразумевается положение поставщика на рынке, деятельность компании на вертикальных рынках и уровень поддержки заказчиков.

Texas Instruments удалось занять первое место в рейтинге за счет высокого сочетания обоих параметров. Freescale заняла второе место благодаря высокому показателю внедрения, а NXP — благодаря приобретению Jennic. Цель этого приобретения — интеграция номенклатуры маломощных РЧ-решений Jennic в продукцию NXP, однако пока рано судить о том, усилит ли поддержка NXP положение Jennic. www.elcomdesign.ru

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Силовые MOSFET: расширяем возможности МАКСИМ СОЛОМАТИН, менеджер по бренду IR, «Компэл»

Силовые MOSFET — одни из самых востребованных в настоящее время ключевых элементов, используемых для преобразования электрической энергии. Они находят широкое применение в каскадах DC/DC-преобразователей, в коммутации и распределении цепей питания, управлении электроприводом и в цепях защиты. Основные параметры мощных МОП-транзисторов во многом определяют эффективность преобразования энергии в силовых приборах. Базовая технология MOSFET была разработана еще в 1970-х гг., однако поиск новых методов улучшения эффективности данного класса приборов продолжается.

Эволюция MOSFET происходит по двум направлениям — в сторону увеличения эффективности преобразования энергии и увеличения плотности мощности. Эффективность преобразования определяется уровнем потерь мощности на силовом ключе в процессе работы. Плотность мощности определяется отношением максимального коммутируемого тока, приведенного к корпусу или площади, которую корпус прибора занимает на плате. Ключевыми параметрами, определяющими эффективность работы MOSFET-транзисторов, являются: сопротивление в открытом состоянии Rds(on), максимальный ток через транзистор Id и заряд затвора Qg. Потери мощности определяются двумя составляющими: статической и динамической. Статические потери обусловлены падением напряжения на сопротивлении открытого канала. Динамические потери определяются характером переключения, влиянием паразитных составляющих, потерями в цепях управления по затвору. Повышение плотности мощности определяется усовершенствованием структуры кристалла и технологии корпусирования. Эволюция развития транзистора от планарной до trench-технологии сопровождалась значительным сокращением площади кристалла, что привело к снижению сопротивления канала в открытом состоянии Rds(on). В свою очередь, уменьшение этого параметра отразилось на снижении потерь мощности и улучшении процесса рассеяния тепла, что позволило производителям повысить плотность мощности. У современных низковольтных MOSFET сопротивление открытого канала составляет менее 1 мОм. Эти приборы обеспечивают широкий токовый диапазон для различных приложений — от единиц до сотен ампер. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СИЛОВЫХ МОП-ТРАНЗИСТОРОВ

Для анализа работы полевых транзисторов существует множество моделей, и, тем не менее, соответствующее описание их работы затруднено. Большинство производителей полевых транзисторов предлагают для своих изделий модели Spice или Saber, но слишком мало говорят о ловушках, подстерегающих разработчика. Эти модели обеспечивают, как правило, несколько способов разрешения наиболее общих вопросов. Характеристики переключения транзисторов в реальной схеме существенно отличаются от тех, которые рассчитаны производителями по составным моделям. Причиной этого является недооценка или трудность учета дополнительных факторов, влияющих на поведение мощного МОП-транзистора в реальной схеме. Кроме структуры и технологического процесса, по которому изготовлен прибор, на работу MOSFET в реальной схеме оказывают влияние и другие факторы:

– сопротивление корпуса; – паразитные емкости и индуктивности межсоединений; – топология проводников печатной платы. При больших токах следует учитывать сопротивление корпуса и печатных дорожек. Медные проводники стандартной печатной платы имеют удельное сопротивление 0,5 мОм на квадрат. В отдельных случаях сопротивление канала MOSFET оказывается ниже сопротивления печатных дорожек. Возможно ли на практике обеспечить прохождение тока с такой плотностью в столь небольшом корпусе? Можно ли добиться того, чтобы сопротивления межсоединений «кристалл — выводы корпуса» и «выводы корпуса — контактные площадки печатной платы» были столь же низки? Необходимо также сохранить высокую частоту переключений транзистора. Что же на практике ограничивает скорость переключения силовых транзисторов? Фактически, реальная скорость переключения также зависит от ряда других факторов. Например, от того, насколько быстро происходит управление цепями затвора с учетом паразитной индуктивности. Для анализа поведения MOSFET в реальной схеме рассмотрим полумостовую схему, которая является наиболее типовой для силовой электроники. В частности, эта схема широко используется в синхронных понижающих конверторах. ВЛИЯНИЕ ПАРАЗИТНОЙ ИНДУКТИВНОСТИ ВЫВОДОВ КОРПУСА

Одним из основных паразитных элементов полевого транзистора, усложняющих и ухудшающих динамику переходных процессов в реальных схемах, является паразитная индуктивность выводов полевого транзистора. Она обусловлена двумя составляющими –индуктивностью сварных проволок и индуктивностью металлических выводов рамки транзистора. Величина паразитной индуктивности выводов составляет 5...7 нГн. Влияние паразитной индуктивности рассмотрим на примере типовой полумостовой схемы с MOSFET ключами (см. рис. 1) . На эквивалентной схеме МОП-транзисторов показаны паразитные элементы — сопротивление и индуктивность выводов транзисторов, а также дорожек печатной платы и паяных межсоединений. Наличие индуктивности в цепи затвора приводит к задержке сигнала управления как при включении, так и при выключении транзистора. Поскольку оба ключа (верхний и нижний) под управлением драйвера должны переключаться синхронно, то неучтенная задержка включения и выключения может привести к возникновению сквозного тока через мост и выходу из строя силового прибора. Задержка в сигнале управления увеличивает потери мощности в цепях управления полевого транзистора.

Электронные компоненты №2 2011

73

На рисунке 2 показана зависимость потери мощности от индуктивности выводов MOSFET в реальной схеме DC/ DC-преобразователя со следующими параметрами: входное напряжение — 12 В; выходное — 1,3 В; частота преобразования — 500 кГц; выходной ток — 30 А. Чем больше потери мощности, тем меньше эффективность преобразования энергии. Наличие индуктивности выводов может также привести к появлению выбросов напряжения. Если эти броски напряжения превысят предельно допустимые значения, прибор выйдет из строя. Для устранения или уменьшения паразитной индуктивности рекомендуется использовать безвыводные корпуса типа DirectFET, а для уменьшения импеданса межсоединений — оптимальную топологию разводки. В отличие от стандартных корпусов, DirectFET не имеет ни развариваемых проводников, ни рамочных выводов. Рис. 1. Эквивалентная схема полумостового транзисторного каскада с учетом паразитных цепей

Рис. 2. Падение напряжения на CSI увеличивает потери мощности в цепях управления FET

ДЕМПФИРОВАНИЕ ИНДУЦИРОВАННОГО ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА НИЖНЕГО ПЛЕЧА

Одной из основных проблем, с которой часто приходится сталкиваться разработчикам силовых преобразователей, является возникновение сквозного тока в полумостовых каскадах, вызванное ложным отпиранием транзистора нижнего плеча из-за емкости Миллера в структуре МОПтранзистора (сток-затвор). Большие частоты переключения с острыми фронтами приводят к увеличению динамического тока. При открывании транзистора верхнего плеча напряжение сток-исток противоположного транзистора уменьшается со скоростью dVce/dt. Фронт этого напряжения вызывает протекание тока через емкость Миллера, затворный резистор и выходной каскад драйвера, что создает падение напряжения на активном сопротивлении в цепи затвора. Если этот потенциал превысит пороговое напряжение на затворе, произойдет ложное открывание транзистора Q2 (см. рис. 3). Простой математический анализ показывает, что для наилучшего решения этой проблемы следует, чтобы соотношение Qgd/Qgs1 было меньше 1. Другими факторами предотвращения индуцированного включения являются низкий выходной импеданс цепей драйвера (<1 Ом), низкое внутреннее сопротивление затвора транзистора Rg, включение внешнего форсирующего конденсатора GS и использование для транзистора Q2 типов корпусов с минимальными паразитными параметрами. СООТНОШЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ И СТАТИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ

Рис. 3. Прохождение тока через емкость затвор-сток

74

Рис. 4. Потери для двух различных типов МОП-транзисторов в нижнем плече схемы на рисунке 3 (транзистор Q2) Таблица 1. Параметры двух транзисторов MOSFET Транзистор Rds, мОм Qgs1, нКл №1 5,38 8,81 №2 4,83 10,85

Qgd, нКл 8,59 16,37

WWW.ELCOMDESIGN.RU

CR (QGD/QGS1) 0,98 1,51

Vth, В 2,02 2,08

Показателем качества управляющего ключа синхронного выпрямителя DC/DC-преобразователя является произведение сопротивления открытого канала на заряд переключения — Rds(on)∙Qsw. Именно этой величине прямо пропорциональна основная доля потерь мощности. Для лучшего понимания вклада паразитной емкости Cdv/dt в динамические потери рассмотрим два близких типа MOSFET, отличающихся, в основном, Rds и отношением Qgd/Qgs1 (см. табл. 1). Транзистор №1 имеет высокое значение Rds(on) и низкое отношение CR, тогда как транзистор №2 имеет низкое значение Rds(on), но высокое отношение CR. Эти два транзистора были поочередно протестированы в схеме синхронного понижающего преобразователя (см. рис. 3). Транзисторы устанавливались на месте Q2, транзистор Q1 был того же типа. Частота преобразования конвертора — 1 МГц. Входное напряжение — 14 В, а выходное — 1,3 В. Измеренные потери для двух различных типов транзисторов показаны на рисунке 4. Как показано на этом рисунке, транзистор №1 имеет меньшие потери по сравнению с транзистором №2 в широком диапазоне нагрузок. Фактически, при токе

Рис. 5. Длина входных цепей должна быть минимальной

нагрузки 10 A потери мощности на транзисторе №1 на 0,72 Вт меньше, чем у транзистора №2. В целом, потери прибора №2 на 18% больше чем у прибора №1, которые в основном обусловлены вкладом составляющей Cdv/dt (динамические потери при включении). Секрет состоит в том, что транзистор №1 имеет меньшее значение Qgd и отношение CR и, следовательно, он обеспечивает меньшие потери Cdv/dt. ВЛИЯНИЕ ТОПОЛОГИИ РАЗВОДКИ

Разводка цепей на печатной плате является другим важным фактором, определяющим производительность MOSFET в силовой схеме. Например, плохая или неудачная разводка печатных дорожек может добавить паразитные индуктивности и сопротивления, которые приведут к увеличению динамических потерь и потерь на проводимость. В результате вырастет уровень ЭМИ. Для уменьшения влияния топологии разводки разработчик должен стремиться к тому, чтобы площадь входных цепей была как можно меньше, и размещать драйвер и MOSFET как можно ближе друг к другу (см. рис. 5). На правой части рисунка для уменьшения площади входных цепей использованы проходные керамические конденсаторы малого размера, размещенные под транзистором, и переходные отверстия. Следовательно, необходимо помещать проходные конденсаторы после выхода драйвера как можно ближе к затвору MOSFET. В данном случае, организация цепей управления транзистором Q1 имеет больший приоритет, чем цепей Q2. При параллельном соединении полевых транзисторов следует обеспечить согласование импеданса затворных цепей. Дополнительно, при разводке печатных дорожек требуется использовать отдельные проводники аналоговой и силовой земли, чтобы локализовать прохождение больших токов по заданным

направлениям и исключить влияние на чувствительные входные цепи. Эти две земли необходимо соединить на печатной плате только в одной точке. В разводке следует использовать множество переходных отверстий для соединения МОП-транзистора с цепями питания Vin или землей. Любые неиспользуемые площади на печатной плате должны быть покрыты медным слоем. ТЕХНОЛОГИЯ КОРПУСИРОВАНИЯ — КЛЮЧЕВОЙ ФАКТОР ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ MOSFET

Рост эффективности корпусов силовых МОП-транзисторов для поверхностного монтажа до настоящего времени обеспечивался эволюционным развитием уже известных основных типов корпусов по двум основным направлениям. Первое из них — разработка на базе корпуса SO-8. Второе — разработка приборов с многорядным расположением шариковых контактов в корпусах типа BGA или в бескорпусных FlipChip. Снижение активного сопротивления и улучшение теплопередачи вариантов корпуса SO-8 достигалось за счет увеличения количества развариваемых к выводам и кристаллу проволок из золота или алюминия. Им на смену пришло крепление кристалла медными зажимами-клипсами, что попутно улучшило отвод тепла к умощненным выводам корпуса, дополнительно рассеивающим тепло. За последние несколько лет ведущие производители MOSFET произвели существенные улучшения в корпусировании транзисторов, сохранив при этом низкие сопротивления во включенном состоянии и минимизировав паразитные параметры. КОРПУС D2PAK-7

Корпус D2PAK (TO-263) был разработан более 10 лет назад. Он используется многими производителями для корпусирования мощных MOSFET с токами до 100 А и более. Соединение контактов

Электронные компоненты №2 2011

75

Таблица 2. HEXFET N-канальные MOSFET-транзисторы в 7-выводном корпусе D2-PAK

Рис. 6. Новый корпус обеспечивает удвоение токовой нагрузочной способности до двух раз

затвора и истока кристалла с выводами рамки корпуса производится алюминиевыми проволоками диаметром около 250 мкм. Стоковый контакт кристалла посажен через эвтектику на массивную металлическую площадку выводной рамки. Для уменьшения сопротивления соединения истока оно выполнено тремя проволоками. Основная цель модифицированного корпуса D2PAK-7, выпущенного компанией International Rectifier — увеличение нагрузочной токовой способности корпуса за счет уменьшения сопротивления между контактами истока кристалла и выводной рамкой. Кристалл транзистора при этом не подвергался модификации под новый корпус. С этой целью истоковые контакты на кристалле соединены четырьмя проволоками с двумя гребенками контактов — на два и три контакта (см. рис. 6). Благодаря этому удалось уменьшить сопротивление Rds(on) на 0,4 мОм по сравнению с обычным трехвыводным корпусом D2PAK. Использование дополнительных выводов рамки для цепи истока также улучшило теплопередачу. При этом увеличилась и нагрузочная токовая способность корпуса. В таблице 2 представлены базовые параметры MOSFET в модифицированных корпусах D-PAK-7 компании IR. Можно отметить значительное уменьшение сопротивления открытого канала Rds(on) и увеличение максимального тока Id. Новая технологии корпусирования позволила значительно увеличить плотность мощности полевых транзисторов. Однако паразитные индуктивности выводов для корпуса D-PAK-7 сохранились на прежнем уровне. КОРПУС DIRECTFET

Технология корпусирования DirectFET компании IR стала первой, которая обеспечила прорыв на пути дости-

Тип

VDS, В

Rds(on) @ 10 В, мОм

ID @ TC = 25°C, A

Qg, нКл

IRF1324S-7P

24

1,0

429

180,0

IRF2804S-7P

40

1,6

320

170,0

IRFS3004-7P

40

1,25

400

160,0

IRLS3034-7P

40

1,4

380

120,0

IRF1405ZS-7P

55

4,9

150

150,0

IRF3805S-7P

55

2,6

240

130,0

IRLS3036-7P

60

1,9

300

110,0

IRFS3006-7P

60

2,1

293

200,0

IRF2907ZS-7P

75

3,8

160

170,0

IRFS3107-7P

75

2,6

260

160,0

IRLS4030-7P

100

3,9

190

93,0

IRFS4010-7P

100

4,0

190

150,0

IRFS4115-7P

150

11,8

105

73,0

жения рекордно высоких показателей эффективности корпуса. Внешний вид и поперечный разрез прибора DirectFET представлены на рисунке 7. Кристалл имеет двустороннее расположение выводов. На его нижней стороне расположены металлизированные контакты: два контакта истока и один — затвора. Контакт стока на второй поверхности кристалла соединен с медным корпусом-кожухом. Кристалл крепится к корпусу с помощью специального компаунда. Электрический контакт с печатной платой обеспечивается пайкой двух контактов истока, контакта затвора и двух контактов корпуса (отбортовки на корпусе). В транзисторах DirectFET электрический ток протекает по кратчайшему расстоянию — через кристалл и крышку корпуса. У транзисторов в корпусе SO-8, D-Pak и в разновидностях корпусов на их основе ток, кроме того, протекает через проволоки разварки кристалла и выво-

76

Рис. 7. Корпус типа DirectFET обеспечивает минимальные сопротивление выводов и паразитную индуктивность

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ды корпуса. Электрическое сопротивление корпуса DirectFET около 0,1 мОм. Это значение в 14 раз ниже, чем аналогичный параметр у классического корпуса SO-8. Оно гораздо ниже электрического сопротивления кристалла при открытом канале. Разработанный компанией International Rectifier корпус нового поколения для поверхностного монтажа обеспечивает эффективный отвод тепла от кристалла мощного MOSFET за счет двухстороннего охлаждения кристалла. У транзисторов в корпусах DirecFET термосопротивление «кристалл — печатная плата» составляет всего 1°С/Вт, а термосопротивление «кристалл — поверхность корпуса» — 3°С/Вт. Благодаря низкому термосопротивлению корпуса DirectFET способны рассеивать гораздо более высокую мощность, чем корпуса для поверхностного монтажа других типов. Это позволило, по крайней мере, удвоить номинальный ток транзистора, сохранив размеры как кристалла, так и корпуса. Отсутствие проволок разварки и рамочных выводов с прямым монтажом кристалла на печатную плату предельно снизило сопротивление контактов и паразитные индуктивности выводов. Простота топологии монтажа печатной платы также способствует уменьшению паразитных индуктивностей.

Рис. 8. Соотношение размеров корпусов для поверхностного монтажа

КЛАССИФИКАЦИЯ КОРПУСОВ DIRECTFET

Для оптимизации и согласования с током и сопротивлением канала транзистора разработаны три группы стандартных типов корпусов DirectFET, отличающихся размером крышки (Can): Small (малые), Medium (средние) и Large (большие). В каждой из групп существуют различные модификации в зависимости от размера кристалла, расположения и числа контактных площадок. На рисунке 8 представлено сравнение размеров корпусов SO-8, DirectFET типоразмера М (средний типоразмер) и D-Pak. Все типы корпусов DirectFET имеют одинаковую и минимальную среди корпусов для поверхностного монтажа высоту 0,7 мм. Номенклатура выпускающихся транзисторов в корпусах DirectFET компании IR перекрывает диапазон напряжений 20...250 В. В таблице 3 приведены параметры N-канальных HEXFETтранзисторов International Rectifier в корпусах DirectFET. Применение транзисторов в корпусах DirectFET дает возможность заменить до трех параллельно включенных транзисторов в корпусе SO-8 или до двух транзисторов

Таблица 3. N-канальные HEXFET-транзисторы в корпусах DirectFET Транзистор Vds, В IRF6691

20

Рис. 9. Корпус типоразмера 5×6 мм занимает точно такую же площадь и использует то же посадочное место, что и корпус SO-8

в корпусе D-Pak, вдвое поднять объемную плотность энергии, резко снизить температуру в преобразователе. Ультранизкое сопротивление открытого канала и низкий заряд затвора обеспечивают КПД преобразования выше 90% в одно- и многофазных DC/DC-преобразователях, применяемых в компьютерной технике. КОРПУС PQFN

Транзисторы в корпусе PQFN (силовой QFN) занимают промежуточное положение по эффективности между транзисторами в стандартных корпусах DPAK, SO-8 и в корпусах DirectFET. Корпус PQFN (см. рис. 9) занимает такую же площадь, как и SO-8, но имеет ряд преимуществ. Расположение выводов для этих двух корпусов идентичное, что обеспечивает применение транзистора в кор-

Таблица 4. N-канальные HEXFET-транзисторы IR в корпусах PQFN

Rds(on) Max 10 В, мОм

ID @ TA = 25°C, A

Qg, нКл

1,8

32,0

47,0

Транзистор

Типы корпусов

VDS, В

PQFN 2×2

20

RDS(on) Max 10 В, мОм

ID @ TC = 25°C, A Qg, нКл

IRF6718L2

25

0,70

61,0

—

IRLHS6242

22

14,0

IRF6717M

25

1,25

38,0

46,0

IRFH5250

PQFN 5×6 B

25

1,15

45

52,0

IRF6727M

30

1,7

32,0

49,0

IRFH5302

PQFN 5×6 B

30

2,1

100

29,0

IRF6726M

30

1,7

32,0

51,0

IRFH5300

PQFN 5×6 B

30

1,4

IRF7739

40

1,0

46,0

220,0

IRLH5034

PQFN 5×6 B

40

2,4

100

82,0

IRF7749L2

60

1,5

33,0

200,0

IRLH5036

PQFN 5×6 B

60

4,4

100

44,0

IRF7759L2

75

2,3

26,0

200,0

IRFH5007

PQFN 5×6 B

75

5,9

100

65,0

IRF6646

80

9,5

12,0

36,0

IRF7769L2

100

3,5

20,0

200,0

IRFH5010

PQFN 5×6 B

100

9,0

100

65,0

IRF7779L2

150

11,0

11,0

97,0

IRFH5015

PQFN 5×6 B

150

31,0

56

33,0

IRF6641

200

59,9

4,6

34,0

IRFH5020

PQFN 5×6 B

200

55,0

43

36,0

IRF7799L2

250

32

6,6

110,0

IRFH5025

PQFN 5×6 B

250

100,0

32

37,0

50,0

Электронные компоненты №2 2011

77

Рис. 10. Зависимость сопротивления различных типов корпусов от частоты

пусе PQFN в качестве альтернативной замены SO-8. В нем можно разместить более крупный кристалл. Выводы стока и истока имеют большую площадь. Термосопротивление между кристаллом и выводами существенно ниже, чем у SO-8 (2,8°С/Вт). По этой причине транзисторы в данном корпусе можно использовать в преобразовательных устройствах с более высокими характеристиками, чем в случае транзисторов в корпусе SO-8 и с более низкой ценой по сравнению с DirectFET. В таблицах 4 и 5 представлены параметры HEXFET N- и P-канальных транзисторов International Rectifier в корпусах PQFN. ЗАВИСИМОСТЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ И ПАРАЗИТНОЙ ИНДУКТИВНОСТИ КОРПУСА ОТ ЧАСТОТЫ

Измеренные зависимости сопротивления и паразитной индуктивности от частоты для различных типов MOSFETкорпусов показаны на рисунках 10 и 11. Из приведенных рисунков видно, что корпуса DirectFET вносят совсем незначительный вклад в паразитное сопротивление и индуктивность по сравнению с другими корпусами. Кроме того, вариации паразитных параметров DirectFET минимально зависят от частоты по сравнению с указанными корпусами, поскольку индуктивность и сопротивление корпуса сведено к минимуму. Последние модернизации корпусов DirectFET позволили уменьшить его сопротивление до 0,15 мОм, а паразитную индуктивность — до менее чем 0,1 нГн. Среди других корпусов ближе всех по данным показателям к DirectFET является корпуса серии MLP, представляющие собой разновидность корпусов PQFN. ЭФФЕКТИВНЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ MOSFET

78

Топология понижающего DC/DC-преобразователя с синхронным выпрямлением требует применения полумостового коммутатора, в нижнем плече которого преобладают потери проводимости, а в верхнем — динамические потери коммутации. Динамические потери тем выше, чем выше частота коммутации. Т.е. для верхнего плеча требуется ключ с минимальным RDS(ON), а для нижнего плеча — с минимальным QG. Новые технологии компании International Rectifier позволяют ей производить MOSFET с улучшенными рабочими характеристиками, благодаря чему в полумостовых каскадах применяются транзи-

Рис. 11. Зависимость паразитной индуктивности корпуса от частоты

сторы одного типа с сохранением высокого уровня его эффективности. Малые значения QG обеспечивают низкое электропотребление AC/DC-преобразователей в дежурном режиме. Все перечисленные преимущества DirectFET далеко не исчерпывают возможности новой технологии корпусирования. В новом типе корпуса возможна также реализация целого ряда других силовых приборов, например, ультрабыстрых диодов, диодов Шоттки с возможностью достижения нового уровня характеристик. Для большинства применений повышенная плотность мощности увеличивает гибкость выбора конструкторских решений. Например, в схемах, где требуется использование параллельных MOSFET для перераспределения тока, транзисторы с более высоким током позволяют снизить общее число используемых компонентов и стоимость изделия, поскольку меньшее число полевых транзисторов пропускает ток той же величины. Поэтому увеличение плотности мощности и возможности работать на высоких токах позволяет использовать полевые транзисторы в более сложных условиях эксплуатации, где требуется больший запас «выносливости» при возникновении нежелательных переходных процессов. Благодаря компактности и ультранизким потерям перечень приложений транзисторов DirectFET постоянно расширяется. Помимо уже перечисленных приложений DirectFET нашли применение в высококачественных усилителях звука, в инверторах солнечных батарей, приводах с батарейным питанием, применяемых в электроинструментах. ЛИТЕРАТУРА 1. Eric Persson. What really limits MOSFET performance: Silicon, package, driver or circuit board?//International Rectifier Corp. EE Times.

2. В. Башкиров. DirectFET — прорыв в технологии корпусирования мощных полевых транзисторов//Компоненты и технологии. №5. 2002.

3. В. Башкиров. Новые семейства высокоэффективных низковольтных MOSFET//Новости электроники.

4. А. Никитин. Преимущества транзисторов в корпусах DirectFET//Новости электроники. № 7. 2010.

5. DirectFET Technology Board Mounting Application Note// Документ an-1035 компании International Rectifier.

6. А. Павленко. Монтаж корпуса DirectFet//Силовая электроника. №4. 2008.

Таблица 5. P-канальные HEXFET в корпусах PQFN Транзистор

Тип, размер корпуса

VDS, В

RDS(on) Max 10 В, мОм

ID @ TC = 25°C, A

Qg, нКл

IRFHS9301

PQFN 2×2

–30

37,0

13

6,9

IRFHM9331

PQFN 3×3

–30

14,6

24

16,0

IRFH9310

PQFN 5×6 B

–30

4,6

40

58,0

WWW.ELCOMDESIGN.RU

КОММУНИКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ НА КРИСТАЛЛЕ MARVELL ВЛАДИМИР ЕГОРОВ, к.т.н., в.н.с., Институт проблем информатики РАН

Статья знакомит читателя с коммуникационными системами на кристалле компании Marvell, признанного лидера на рынке интегрированных сетевых процессоров и ведущего поставщика микроэлектронных компонентов для пакетной коммутации.

ния, главным образом в смартфонах, планшетных и им подобных компьютерах с операционными системами Linux, Android или Windows CE. Предметом дальнейшего рассмотрения станут интегрированные сетевые продукты и полуфабрикаты, активно встраиваемые в устройства пакетной коммутации как самой компанией Marvell, так и другими фирмами, и работающие, как правило, под управлением операционных систем реального времени, например, VxWorks или зачастую в весьма специфических операционных средах. Последующее обсуждение не затронет, вероятно, наиболее известные и востребованные на рынке многофункциональные высокоскоростные Ethernet-трансиверы, которые вряд ли можно отнести к разряду систем на кристалле. Зато к таковым, безусловно, относятся интегральные коммутаторы семейства Link Street уровня небольшого офиса SOHO (Small Office/Home Office), которые включают эти фирменные трансиверы, а также пакетные коммутаторы семейства Prestera, представляющие собой самые мощные системы на кристалле из имеющейся сегодня на рынке микроэлектроники для пакетной коммутации. ИНТЕГРИРОВАННЫЕ СЕТЕВЫЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ

Все интегрированные сетевые МК компании Marvell базируются на полученном от корпорации Intel процессоре Xscale, переработанном инженерами компании во встраиваемое ядро с

фирменным брендом Sheeva. С архитектурной точки зрения ядро Sheeva реализует базовую архитектуру ARM v5TE, хотя в самых последних изделиях компании анонсирована архитектура ARM v6/7. На рынок интегрированных сетевых МК Marvell вышла с семейством Kirkwood, включающим около десятка моделей. Модели несколько различаются производительностью и наборами периферийных контроллеров, но характеризуются общими для всего семейства свойствами: – процессорными ядрами Sheeva, одним или двумя, с кэшами L2 объемом 256 Kбайт; – в с т р о енны м кон т р ол л ер о м 32-разрядной памяти DDR2 с ECC; – 8-разрядной локальной шиной с интегрированным контроллером NAND-флэш; – наличием сопроцессора безопасности (security engine); – 2 адаптерами TDM; – 2 адаптерами UART; – 4 -канальным контроллером независимого прямого доступа IDMA (Independent DMA). Кроме того, все МК содержат в разных сочетаниях трехскоростные MACадаптеры Ethernet TEMAC (Three-speed Ethernet MAC), а также контроллеры последовательных шин USB 2.0, PCIe и SATA II. Отличительные характеристики отдельных моделей семейства приведены в таблице 1. Относительно недорогие (ориентировочные цены в России — 20—70 долл.),

Таблица 1. Характеристики моделей семейства Kirkwood Модель Ядер Sheeva Рабочая частота TEMAC PCIe USB 2.0 SATA II 88F6180 1 0,6…0,8 ГГц 1 1 1 0 88F6192 1 800 МГц 2 1 1 2 88F6280 1 1,0 ГГц 1 0 1 0 88F6281 1 1,0…1,2 ГГц 2 1 1 2 88F6282 1 1,6…2,0 ГГц 2 1 1 2 88F6283 1 600 МГц 2 1 1 2 88F6321 2 0,6…0,8 ГГц 2 1 1 1 88F6322 2 0,6… 0,8 ГГц 3 2 2 1 88F6323 2 0,6…1,0 ГГц 3 2 3 1

Корпус TSBGA-244 LQFP-216 LQFP-128 HSBGA-288 HFCBGA-304 HFCBGA-304 FCBGA-655 FCBGA-655 FCBGA-655

Электронные компоненты №2 2011

79 МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ И DSP

ВВЕДЕНИЕ

Компания Marvell Technology Group Ltd — один из безусловных лидеров на рынке высокоскоростных Ethernetтрансиверов, интегрированных сетевых микроконтроллеров (МК) и современных интегральных высокопроизводительных коммутаторов. В пятнадцатилетней истории Marvell можно отметить два поворотных момента, благодаря которым компания занимает сегодня ведущие позиции в области интегрированных сетевых продуктов. В октябре 2000 г. Marvell приобрела компанию Galileo Technology, специализировавшуюся на разработке Ethernet-коммутаторов. Затем в течение полутора лет были инкорпорированы еще две компании — SysKonnect и RADLAN, работавшие в области сетевых технологий и сетевого программного обеспечения (ПО). Вторым важным шагом или, правильнее сказать, рывком на передовые позиции в пакетной коммутации стала передача Marvell в 2006 г. компанией Intel технологии встроенных процессоров линейки Xscale, благодаря чему Marvell получила возможность привносить в свои коммутаторы интеллект и создавать сложные и высокопроизводительные интеллектуальные системы на кристалле. Компания в полной мере использовала приобретенный потенциал и уверенно вышла в лидеры современной микроэлектронной индустрии. В настоящее время Marvell ежегодно поставляет на рынок более миллиарда микросхем, но остается при этом так называемой fabless-компанией, т.е. компанией без собственных производственных мощностей, что подчеркивает ее сосредоточенность на разработке самых современных продуктов и, в первую очередь, интегрированных сетевых МК и интегральных коммутаторов на кристалле. Следует отметить, что Marvell выпускает несколько семейств МК, но за рамками этой статьи останутся прикладные МК, ориентированные на универсальные компьютерные примене-

Рис. 1. Структурная схема процессора MV78200

Рис. 2. Обобщенный пример использования МК MV78200

Рис. 3. Пример реализации технологии SMB на МК MV78200

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ И DSP

80

но достаточно производительные и снабженные сетевыми и прочими периферийными адаптерами МК семейства Kirkwood находят широкое применение в домашних шлюзах и точках доступа в сети, мини-серверах (plug computers) и сетевых терминалах. Следующее поколение интегрированных сетевых МК — Discovery Innovation — использует те же процессорные ядра Sheeva и отличается от семейства Kirkwood в основном

количественно. Эти количественные отличия, полученные, вероятно, за счёт более жёстких проектных норм, заключаются в: – увеличении размера кэшей L2; – удвоении до 64 разрядов разрядности шины памяти DDR2; – расширении до 32 разрядов локальной шины. Все три имеющиеся модели семейства МК Discovery Innovation выпускаются в корпусе FCBGA-655 и имеют по

Таблица 2. Характеристики моделей семейства Discovery Innovation Модель MV76100 MV78100 MV78200

Частота, ГГц 0,6… 0,8 0,8…1,2 0,8…1,0

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Ядер 1 1 2

Кэшей L2, Кбайт 256 512 2×512

TEMAC 2 2 4

SATA II 1 2 2

два контроллера PCIe, три контроллера USB, четыре адаптера UART и два адаптера TDM. Индивидуальные характеристики моделей этого семейства приведены в таблице 2. На рисунке 1 показана структурная схема самого мощного в семействе Discovery Innovation — двухъядерного МК MV78200. В структуре МК следует обратить внимание на системный crossbar — внутренний коммутатор, обеспечивающий существенно бóльшую суммарную пропускную способность при обмене данными внутри кристалла по сравнению с традиционными параллельными шинами. МК семейства Discovery Innovation предназначены в основном для реализации уровня управления (control plane) коммутаторов и маршрутизаторов, но они могут успешно применяться в одноплатных компьютерах, производительных многофункциональных принтерах, системах видеонаблюдения и других областях. Обобщенный пример использования прибора MV78200 в качестве универсального МК в самых разных приложениях показан на рисунке 2. Другой типичный пример применения сетевых МК компании Marvell — реализация технологии SMB (Server Message Block) в разделенных сетевых серверах. Например, все тот же высокоинтегрированный прибор MV78200 позволяет совместить в себе сразу два традиционных устройства: сетевой шлюз и приложение SMB, традиционно реализуемое на универсальном компьютере. В частности, на одном ядре МК может функционировать точка доступа в сеть с маршрутизацией (AP/router) в среде VxWorks, а на другом могут исполняться различные приложения, такие как почтовый шлюз, Web 2.0, брандмауэр и другие средства сетевой безопасности в среде Linux. Примерная схема такого рода устройства показана на рисунке 3. Недавно Marvell анонсировала еще одно семейство сетевых МК повышенной производительности — Armada XP — с максимальной частотой процессорного ядра 1,6 ГГц. В семействе пять моделей, некоторые параметры которых отражены в таблице 3. Более подробные характеристики семейства Armada XP пока не объявлены. Семейство Armada XP предназначается для приложений в сфере «облачных вычислений» (cloud computing) уровня предприятий; подключаемой сетевой памяти (network attached storage); высокопроизводительных сетевых серверов и других областей, требующих бóльших вычислительных мощностей по сравнению с МК Kirkwood и Discovery Innovation.

Рис. 4. Объединение коммутаторов на примере прибора 88E6095

Характерная и весьма привлекательная особенность Ethernet-коммутаторов семейства Link Street — встроенные Ethernet-трансиверы, вследствие чего приборы этого семейства действительно представляют собой самодостаточные коммутаторы на кристалле. В этом обширном семействе можно выделить три поколения: – коммутаторы Fast Ethernet (FE); – комбинированные коммутаторы FE и Gigabit Ethernet (GE); – универсальные коммутаторы GE. В поколении коммутаторов FE выпускалось несколько моделей, неуправляемых и управляемых, различавшихся числом внешних портов FE (от 3 до 10) и некоторыми другими особенностями, в числе которых могли быть поддержка виртуальных локальных сетей VLAN (Virtual LAN) по стандарту 802.1Q, качества обслуживания и протокола управления SNMP. Только в этом поколении семейства Link Street имеется единственный прибор 88E6218, позиционируемый как маршрутизатор или шлюз, со встроенным процессорным ядром, работающим на частоте 150 МГц. В следующем поколении Link Street к портам FE были добавлены два-три порта GE, которые могли быть использованы либо в качестве портов выхода в сети высшего уровня LAN или WAN (uplinks), либо для объединения (stacking) нескольких приборов в один многопортовый FE-коммутатор, как показано на рисунке 4 на примере прибора 88E6095, имеющего восемь портов FE и три порта GE. Некоторые приборы Link Street поколения GE со встроенными трансиверами приведены в таблице 4. У всех них помимо интерфейсов Ethernet 1000Base-T (числом 2 или 5) предусмотрены дополнительные порты (от 1 до 4) с различными MAC-интерфейсами: параллельными GMII/RGMII или последовательными SGMII. Упрощенная схема 7-портового GE-коммутатора 88E6350/88E6350R в виде набора основных функциональных блоков показана на рисунке 5. Каждый из семи внешних портов коммутатора 88E6350/88E6350R включает TEMAC с 30 счётчиками RMON

Рис. 5. Набор функциональных блоков коммутатора 88E6350/88E6350R

и специализированный процессор кадров с поддержкой AVB (Audio/ Video Bridging). Пять портов прибора имеют встроенные трехскоростные Ethernet-трансиверы для витой пары с поддержкой 802.1AS/1588 и четырьмя светодиодами индикации состояния. Остальные два порта оканчиваются MAC-интерфейсами, что позволяет подключать к коммутатору оптические трансиверы и/или управляющий МК со встроенным Ethernet MAC. Это могут быть, в частности, рассмотренные выше сетевые МК Marvell или аналогичные МК других фирм, например, коммуникационные МК PowerQUICC компании Freescale Semiconductor. Механизм коммутации с поддержкой протокола резервирования потоков SRP (Stream Reservation Protocol) по стандарту 802.1Qat обеспечивает бесконфликтную коммутацию кадров налету при максимальных скоростях. Приоритетные очереди организуются во внутренней буферной памяти объемом 1 Мбит и управляются контроллером очередей со встроенным шейпером в соответствии со стандартом 802.1Qav. Таблицы MAC-адресов и тегов VLAN по 802.1Q хранятся в отдельных внутренних памятях, объём которых достаточен, соответственно, для хранения 1024 MAC-адресов и обслуживания 64 VLAN. Прибор 88E6350/88E6350R относится к категории управляемых комму-

таторов. Управление может осуществляться двояко: либо по любому порту Ethernet с использованием дополнительных специфических фирменных возможностей этих портов, которые компания Marvell не раскрывает в открытых публикациях, либо по стандартному последовательному интерфейсу управления трансиверами SMI (Serial Management Interface), который в приборе 88E6350/88E6350R также используется для настройки прочих блоков через их специальные программно доступные на SMI-регистры. В простейшем варианте для реализации законченного 5-портового неуправляемого GE-коммутатора прибор 88E6350/88E6350R достаточно обрамить пятью внешними разъёмами RJ-45 со встроенными трансформаторами и обеспечить необходимое прибору питание. Добавлением двух внешних трансиверов для витой пары или оптоволоконного кабеля можно увеличить число GE-портов коммутатора до семи. Наконец, подключение прибора любым из портов к некому МК позволяет благодаря соответствующему ПО реализовать не только управляемый, но и маршрутизирующий коммутатор, в том числе с обеспечением ряда функций сетевой безопасности. Если учесть, что микросхемы семейства Link Street недороги (прибор 88E6350/88E6350R стоит в России около 20 долл.), то неудивительно,

81

Таблица 3. Характеристики моделей семейства Armada XP Модель Ядер Кэш L2, Мбайт Шина DDR, разр. Локальная шина, разр. TEMAC PCIe MV78130 1 1 32 16 3 1 MV78230 2 1 32 16 3 1 MV78160 1 1 64 32 4 1 MV78260 2 1 64 32 4 2 MV78460 4 2 64 32 4 2 Таблица 4. Некоторые GE-коммутаторы семейства Link Street Модель 88E6121 88E6122 88E6123 88E6165 88E6350

Порты 1000Base-T 2 2 2 5 5

Дополнительные MAC-интерфейсы 1×GMII 1×GMII + 3×SGMII 1×GMII 1×GMII 2×GMII/RGMII

Особенности

Jumbo frames AVB, 802.1Q

Электронные компоненты №2 2011

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ И DSP

ETHERNET-КОММУТАТОРЫ СЕМЕЙСТВА LINK STREET

Рис. 6. Типичная конфигурация коммутатора на основе прибора Prestera 98DX4122

что на них реализовано большинство имеющихся на рынке коммутаторов класса SOHO. ПАКЕТНЫЕ КОММУТАТОРЫ СЕМЕЙСТВА PRESTERA

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ И DSP

82

Пакетные коммутаторы семейства Prestera (Marvell называет их пакетными процессорами) в целом выполняют те же функции, что и коммутаторы Link Street, т.е. пакетную коммутацию «на лету», но с тремя существенными отличиями: – на порядок с большей суммарной пропускной способностью; – отсутствием встроенных трансиверов; – наличием встроенного свободно программируемого процессорного ядра (не обязательно). Коммутаторы семейства Prestera могут иметь порты GE и 10 Gigabit Ethernet (XGE) при суммарной пропускной способности до 480 Гбит/с. Отсутствие в них встроенных трансиверов, вероятно, продиктовано, с одной стороны, ограничениями рассеиваемой кристаллами мощности, а с другой — тем, что скорость портов XGE предполагает на них соответствующие внешние оптические трансиверы. Зато наличие в некоторых моделях семейства встроенного свободно программируемого достаточно производительного процессорного ядра позволяет говорить уже не только об управляемых коммутаторах с полнофункциональной поддержкой control plane, но и о маршрутизаторах на кристалле. Характеристики некоторых моделей постоянно расширяющегося семейства Prestera представлены в таблице 5. На рисунке 6 показана типичная конфигурация высокопроизводительного управляемого коммутатора на основе

прибора Prestera 98DX4122, обеспечивающая 24×GE портов downlinks, 4×XGE портов uplinks и два дополнительных порта, GE и UART (консольный порт), которые относятся к встроенному в 98DX4122 МК и служат для управления коммутатором. Цены на коммутаторы Prestera по сравнению с коммутаторами Link Street значительно выше и увеличиваются пропорционально увеличению суммарной пропускной способности приборов. Например, микросхема 98DX4122 с коммерческим диапазоном рабочих температур стóит в России около 500 долл. и до 600 долл. — с расширенным. Кроме того, для создания законченного коммутатора любой прибор семейства Prestera необходимо не только запитать и окружить разъёмами, но и дополнить несколькими трансиверами. В частности, для коммутаторов Prestera в конфигурации на рисунке 6 понадобится шесть счетверённых и один обычный трансивер витой пары плюс четыре оптических трансивера. И, тем не менее, даже при этих условиях сверхвысокая интеграция и широкие функциональные возможности систем на кристалле компании Marvell обеспечивают законченному устройству хорошую конкурентоспособность на телекоммуникационном рынке. Так, коммутатор Quidway S5300 китайской компании Huawei Technologies, реализованный на микросхемах 98DX4122 и 88E1340 компании Marvell, оказывается, по некоторым неофициальным оценкам, в полтора раза дешевле функционально сопоставимого коммутатора Catalyst компании Cisco Systems. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ

Marvell — одна из самых закрытых фирм, заботливо, может быть даже

Таблица 5. Характеристики некоторых моделей семейства Prestera Модель Портов XGE Портов GE 98DX240 98DX3026 98DX4122 98DX8110 98CX8234 98CX8248

— 4 4 10 32 48

24 24 24 — 16 —

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Пропускная Уровень Ядро, Корпус способность, Гбит/с коммутации МГц 24 L2 — HSBGA-458 64 L2+ 333 HSBGA-617 64 L3+ 800 HSBGA-617 100 L3+ — FCBGA-1138 336 L3+ — HFCBGA 480 L3+ — HFCBGA

чересчур заботливо, охраняющая свои ноу-хау. Для получения технической информации и использования её продуктов с компанией необходимо заключить специальное соглашение о неразглашении этих ноу-хау, причём уровень соглашений и, соответственно, степень доступности информации могут быть разными. Тем не менее предполагается, что при соответствующем статусе соглашения пользователь может получить в своё распоряжение все необходимые для разработки средства. В плане аппаратных средств Marvell для всех без исключения своих приборов класса систем на кристалле предоставляет либо аппаратную платформу разработки DB (Development Board), либо эталонную разработку RD (Reference Design). Для многих приборов имеется и то, и другое. На сайте компании www.marvell.com в открытом доступе имеется справочник самых ходовых продуктов компании (Product Selector Guide в формате PDF), в котором для каждого продукта класса систем на кристалле указаны соответствующие ему DB и/или RD. В отношении фирменных программных средств ситуация менее ясна. Безусловно, инженеры компании разработали большой объем ПО, необходимого для работы, в частности, пакетных коммутаторов Link Street или Prestera, но неочевидно, что Marvell готова поделиться этой информацией с пользователями. Однако, поскольку все функции data plane уже реализованы фирменными средствами внутри микросхем Link Street и Prestera, то пользователю при проектировании коммутатора, маршрутизатора, шлюза или устройства сетевой безопасности на основе этих микросхем остаётся только позаботиться о необходимых ему функциях control plane. Обычно эти функции реализуются в среде Linux или ей эквивалентной и могут быть либо куплены в готовом виде у сторонних поставщиков ПО, либо самостоятельно разработаны. То же самое относится и к интегрированным сетевым МК. Надо отдать должное компании Marvell: не имея собственного производства, она всегда ориентируется на новейшие технологии, и её последние микросхемы выпускаются с проектными нормами 65 нм. С другой стороны, используемое компанией процессорное ядро Sheeva потребляет очень небольшую мощность благодаря как архитектуре ARM, так и низковольтному (до 1,0 В) питанию ядра. Всё это позволяет удерживать потребляемую даже самыми высоко интегрированными приборами компании мощность в пределах 2…3 Вт (большинство микросхем потребляет не более 2,5 Вт). Такое

энергопотребление предоставляет разработчику приятный выбор между умеренной легко реализуемой принудительной вентиляцией и радиаторами охлаждения без вентиляции. Все свои приборы Marvell старается выпускать в предельно компактных корпусах. Последние разработки компании поставляются в корпусах BGA с шагом выводов 0,65 и даже 0,5 мм, а в корпусах TQFP — с шагом выводов 0,4 мм. Это позволяет проектировать малогабаритные устройства, что особенно ценно в мобильных приложениях. Правда, всё это как-то теряет смысл при использовании радиаторов охлаждения. Например, размер микросхем

коммутатора 98DX4122 — 27×27 мм, а счетверённого GE-трансивера 88E1340 — 12×12 мм, т.е. собственно коммутатор с шестью трансиверами занимают на плате около 16 см2, в то время как суммарная площадь радиаторов охлаждения к ним в упоминавшемся выше коммутаторе Quidway S5300 составляет около 200 см2. Но несмотря на использование относительно громоздких радиаторов охлаждения коммутаторы компании Huawei компонуются в типовые шасси 19“×1U и вполне конкурентоспособны, в том числе по габаритным показателям, сохраняя все преимущества отказа от вентиляторов внутри корпуса.

ЛИТЕРАТУРА 1. В. Егоров. Интегрированные коммуникационные процессоры компании Freescale Semiconductor//Электронные компоненты, № 8, 2007.

2. В. Егоров. Интегрированные коммуникационные микроконтроллеры Freescale Semiconductor: из прошлого в будущее//Электронные компоненты, № 7, 2008.

3. В. Егоров. Многоядерные интегрированные сетевые процессоры высокой пропускной способности//Электронные компоненты, № 7, 2009.

4. В. Егоров. Архитектурные инновации в многоядерных ИКМ QorIQ//Электронные компоненты, № 10, 2010.

Справочные страницы. Соответствие единиц мощности дБм и Вт (окончание)*

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ И DSP

84

дБм

Вт

дБм

Вт

дБм

Вт

дБм

Вт

дБм

Вт

дБм

Вт

33,0

2,00

41,6

14,50

50,1

102,00

54,4

275,00

58,7

741,00

63,0

2000,00

33,2

2,09

41,8

15,10

50,2

105,00

54,5

282,00

58,8

759,00

63,1

2040,00

33,4

2,19

42,0

15,80

50,3

107,00

54,6

288,00

58,9

776,00

63,2

2090,00

33,6

2,29

42,2

16,60

50,4

110,00

54,7

295,00

59,0

794,00

63,3

2140,00

33,8

2,40

42,4

17,40

50,5

112,00

54,8

302,00

59,1

813,00

63,4

2190,00

34,0

2,51

42,6

18,20

50,6

115,00

54,9

309,00

59,2

832,00

63,5

2240,00

34,2

2,63

42,8

19,10

50,7

117,00

55,0

316,00

59,3

851,00

63,6

2290,00

34,4

2,75

43,0

20,00

50,8

120,00

55,1

324,00

59,4

871,00

63,7

2340,00

34,6

2,88

43,2

20,90

50,9

123,00

55,2

331,00

59,5

891,00

63,8

2400,00

34,8

3,02

43,4

21,90

51,0

126,00

55,3

339,00

59,6

912,00

63,9

2450,00

35,0

3,16

43,6

22,90

51,1

129,00

55,4

347,00

59,7

933,00

64,0

2510,00

35,2

3,31

43,8

24,00

51,2

132,00

55,5

355,00

59,8

955,00

64,1

2570,00

35,4

3,47

44,0

25,10

51,3

135,00

55,6

363,00

59,9

977,00

64,2

2630,00

35,6

3,63

44,2

26,30

51,4

138,00

55,7

372,00

60,0

1000,00

64,3

2690,00

35,8

3,80

44,4

27,50

51,5

141,00

55,8

380,00

60,1

1020,00

64,4

2750,00

36,0

3,98

44,6

28,80

51,6

145,00

55,9

389,00

60,2

1050,00

64,5

2820,00

36,2

4,17

44,8

30,20

51,7

148,00

56,0

398,00

60,3

1070,00

64,6

2880,00

36,4

4,37

45,0

31,60

51,8

151,00

56,1

407,00

60,4

1100,00

64,7

2960,00

36,6

4,57

45,2

33,10

51,9

155,00

56,2

417,00

60,5

1120,00

64,8

3020,00

36,8

4,79

45,4

34,70

52,0

158,00

56,3

427,00

60,6

1150,00

64,9

3090,00

37,0

5,01

45,6

36,30

52,1

162,00

56,4

437,00

60,7

1170,00

65,0

3160,00

37,2

5,25

45,8

38,00

52,2

166,00

56,5

447,00

60,8

1200,00

65,1

3240,00

37,4

5,50

46,0

39,80

52,3

170,00

56,6

457,00

60,9

1230,00

65,2

3310,00

37,6

5,75

46,2

41,70

52,4

174,00

56,7

468,00

61,0

1260,00

65,3

3390,00

* Начало см. на с. 26.

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Применение 8-разрядных МК АЛЕКСИС ЭЛКОТТ (ALEXIS ALCOTT), компания Microchip Technology 8-разрядные микроконтроллеры успешно применяются уже более 40 лет. Это удивительный факт, поскольку технологии развиваются настолько быстро, что электронные устройства устаревают через год или два после выхода на рыынок. В данной статье мы попробуем разобраться, чем объясняется «живучесть» этих простых микроконтроллеров. Современные 8-разрядные микроконтроллеры (МК) значительно отличаются от тех, что были в начале 1970-х гг. Они миниатюрнее, быстрее, дешевле, экономично расходуют энергию, легко программируются и предоставляют больше возможностей, в т.ч. по подключению периферийных устройств. Для первых 8-разрядных микроконтроллеров 500 тыс. операций в секунду считалась очень хорошей производительностью, а типичное значение тактовой частоты составляло 1…2 МГц. Сейчас частота достигает 64 МГц, а скорость выполнения — 16 млн инструкций в секунду.

8-разрядные МК предназначены для реализации малопотребляющих устройств с несложным программным кодом. Они всегда были и остаются самым простым и экономически эффективным решением для осуществления основных операций управления. Если необходимо быстро решить какую-либо проблему, то 8-разрядные МК — идеальный выбор, поскольку средства разработки для них имеют низкую стоимость, а время вывода на рынок минимально. Оптимизированные по экономической эффективности 8-разрядные МК имеют меньший программный код, малое энергопотребление и обеспечивают хорошую устойчивость к шумам. С годами увеличилась и емкость встроенной памяти. На данный момент семейства 8-разрядных МК компании Microchip содержат от 384 байт памяти программ для простых устройств с очень низкой стоимостью до 128 Кбайт флэш-памяти и до 4 Кбайт ОЗУ для более сложных приложений. ОСОБЕННОСТИ И ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА

86

Современные 8-разрядные МК в небольшом корпусе обладают широким набором возможностей. Например, МК семейства PIC10F2XX Microchip выпускаются в 6-выводных корпусах DFN или SOT-23. Это самые миниатюрные в мире микроконтроллеры, однако они незаменимы при добавлении электронных функций в дискретные или аналоговые устройства, в которых изначально не было электронной начинки. Семейства PIC-микроконтроллеров Microchip имеют встроенную поддержку большого набора периферийных устройств, что значительно увеличивает количество потенциальных приложений, поскольку в большинстве встраиваемых модулей требуются ресурсы для подключения внешних ИС. 8-разрядные МК Microchip содержат стандартные интерфейсы связи, такие как SPI, USART (RS-232/ RS-485), I2C, CAN и LIN. Кроме того, многие PIC-микроконтроллеры имеют встроенный USB-порт для регистрации данных, удаленного обновления во время работы, получения данных (вместо RS-232) и подключения диагностического оборудования. Семейства PIC18F14K50 и PIC18F87J50 поддерживают Full-Speed USB 2.0 со скоростью работы до 12 Мбит/с. Все USB-МК поставляются с USB-драйверами и стеком. Для добавления интерфейса USB в любой PIC-

WWW.ELCOMDESIGN.RU

микроконтроллер можно использовать ИС MCP2200 — запрограммированный мост USB-UART. Во многих приложениях также требуется обеспечить возможность подключения Ethernet-порта. В этом случае разработчики выбирают между автономными Ethernet-контроллерами ENC28J60 или ENC624J600 с реализованными на плате протоколами физического и канального уровня или используют решение PIC18F97J60, в котором в одном корпусе объединены PIC-микроконтроллер и протоколы физического и канального уровней 10-BASE-T Ethernet. Какой бы вариант ни был выбран, с помощью недорогих инструментов Microchip и стека TCP-IP добавление поддержки Ethernet не составит труда. Следующий класс встроенных периферийных ресурсов позволяет разрабатывать удобные и недорогие пользовательские интерфейсы с клавишами и дисплеем. В качестве альтернативы механическим кнопкам, переключателям или слайдерам Microchip предлагает сенсорные решения mTouch. Они дешевле и менее подвержены воздействию окружающей среды. Для приложений, в которых требуется управление сегментированным индикатором, компания предлагает 8-разрядные МК со встроенным контроллером дисплея (до 192 точек). Видеодрайвер поддерживает функции управления контрастом и яркостью, что позволяет настроить параметры дисплея в соответствии с условиями освещения. Помимо интерфейсов подключения и взаимодействия с пользователем 8-разрядные МК содержат интерфейсы управления и синхронизации для захвата и сравнения ШИМ, счетчиков-таймеров и сторожевых таймеров. Для работы с аналоговыми сигналами предусмотрены АЦП (до 12 разрядов), ЦАП, компараторы и ОУ, детекторы провала напряжения, температурные датчики, опорные источники и регуляторы напряжения, а также резонаторы. В связи с тем, что во многих приложениях требуется низкое энергопотребление или питание от батареи, преобразование энергии становится важным фактором. Современные устройства должны быть экономичными и работать до 20 лет без замены батареи. Продукты с технологией XLP имеют увеличенный срок службы батарей и малый ток в режиме ожидания. Использование микроконтроллеров с поддержкой USB, ЖКИ и емкостных датчиков mTouch не требует подключение дополнительных элементов, что позволяет сократить стоимость конечного устройства, упростить его схему и снизить ток потребления. Продукты с XLP содержат специальные схемы надзора для устройств с батарейным питанием, предотвращающие возникновение сбоев в схеме и обеспечивающие точное тактирование. Для ускорения работы с 8-разрядными МК семейств XLP, USB, Ethernet, LCD, mTouch и PIC общего назначения Microchip предлагает простые и наглядные инструменты

разработки, а также обширную библиотеку руководств по применению.

ры, электронные ключи и брелоки, датчики в системах безопасности, электрические зубные щетки, термостаты и т.п.

РАЗРЯДНОСТЬ: 8, 16 ИЛИ 32?

Расширенные возможности и универсальность 8-разрядных микроконтроллеров привели к интересной ситуации на рынке. Некоторым производителям, которые отказались от 8-разрядных МК в пользу 16 - и 32-разрядных семейств, в настоящее время во многих приложениях приходится конкурировать с решениями на основе 8-разрядных МК. На микроконтроллерах с более высокой разрядностью можно реализовать все то, что и на 8-разрядных МК. Однако возникает вопрос, насколько это эффективно. К сожалению, в большинстве случаев это менее эффективный подход.

8-разрядные микроконтроллеры предназначены для взаимодействия с простыми устройствами, такими как переключатели, датчики, клавиатуры и небольшие дисплеи. При работе с ними нет необходимости передавать 32-разрядные данные. В качестве примера можно привести многочисленные бытовые устройства с индикацией времени. Для реализации этой функции отлично подойдет 8-разрядный МК. Плотность кода для устройства на основе 8-разрядного МК намного ниже, чем для 16- или 32-разрядного процессора. Многие 8-разрядные микроконтроллеры имеют широкий диапазон рабочего напряжения 1,8…5,5 В. Благодаря этому их удобно использовать в средах с высоким уровнем электромагнитных помех (промышленные помещения или автомобиль). Для подобных сред компания Мicrochip разработала МК с повышенной стойкостью к электромагнитному и радиационному излучению. Большинство 32-разрядных микроконтроллеров оптимизировано для работы на более высоких частотах. Они более чувствительны к шуму и имеют более высокое энергопотребление. В целом классификация рынка МК по емкости шины данных слишком примитивна. Существует ряд приложений, где приходится искать компромисс между степенью интеграции, потреблением, вычислительной эффективностью, стойкостью и стоимостью. Как правило, 32-разрядные МК лучше подходят для программно-ориентированных приложений с машинным интерфейсом, в которых главное — это высокая вычислительная способность, а также работа в режиме реального времени и многопоточность. Для аппаратноориентированных приложений, в которых требуется детерминированность поведения, низкое потребление в режиме ожидания, хорошие электрические характеристики и наличие интерфейса пользователя, лучшим решением по-прежнему является 8-разрядный МК. К числу этих приложений относятся кофе-машины, тосте-

АРХИТЕКТУРА PIC

Одна из отличительных особенностей 8-разрядных микроконтроллеров Microchip — это PIC-архитектура, основанная на модифицированной Гарвардской архитектуре с набором команд RISC. Ее достоинствами являются раздельные шины для передачи данных и инструкций. Более 80% инструкций выполняются за один цикл, повышая эффективность вычислений. Двухступенчатый конвейер позволяет обрабатывать одну инструкцию во время выполнения другой, ускоряя вычисления. Кроме того, если требования к проекту меняются, то замена микроконтроллера на более функциональный не требует больших усилий — стандартное расположение выводов позволяет заменять 6-выводной МК 100-выводным и увеличивать память программ с 384 байт до 128 Кбайт. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И ПОДДЕРЖКА

В настоящее время качество аппаратного обеспечения напрямую зависит от эффективности программного кода. Однако не все инженеры одинаково хорошо разбираются и в программной, и в аппаратной частях устройства. Для упрощения проектирования Microchip предлагает несколько возможностей. Во-первых, 8-разрядные МК не обязательно программируются на ассемблере. Бесплатный компилятор С позволяет не только упростить проектирование, но и ускорить выход устройства на рынок и сократить расходы. Если требуется оптимизация на высоком уровне, Microchip предлагает более продвинутые компиляторы С. Кроме того, компания предлагает обширную библиотеку программного обеспечения на С. Она может использоваться не только при работе с 8-разрядными МК, но и для 16- и 32-разрядных семейств. Это удобно, особенно если проект в дальнейшем планируется модернизировать и расширять. Библиотеки для 8-разрядных семейств предоставляются бесплатно и содержат примеры кодов, на основе которых можно создавать собственные программы. Программное и аппаратное обеспечение от одного производителя — это гарантия защищенности от проблем несовместимости.

Microchip также предоставляет своим клиентам бесплатную интегрированную среду разработки и отладки. Немаловажна и помощь сообщества разработчиков в интернете. ЛИТЕРАТУРА 1. Alcott А. 8-Bit MCUs: Sophisticated Solutions for Simple Applications.

НОВОСТИ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИЙ | BRIDGELUX ПРОДЕМОНСТРИРОВАЛА «КРЕМНИЕВЫЙ» СВЕТОДИОД | Компания создала нитридгаллиевый светодиод на кремниевой подложке (GaN-оn-Silicon). Его энергоэффективность составляет 135 лм/Вт. В большинстве случаев при производстве светодиодов используется подложка из сапфира или карбид-кремния (SiC), но увеличение диаметра этих пластин — процесс трудоемкий и дорогостоящий. Создание светодиодов на довольно дешевой кремниевой подложке снизит их стоимость примерно на 75%. Энергоэффективность 135 лм/Вт достигается в 1,5-мм светодиоде при токе 350 мА. При этом падение напряжение на нем не превышает 2,9 В, а при токе 1 А падение напряжения менее 3,25 В. Малое падение напряжения и хорошие тепловые характеристики делают новые светодиоды весьма перспективными, а организация производства на 200-мм кремниевых пластинах позволит еще удешевить процесс изготовления за счет использования существующих автоматических линий. Компания планирует начать коммерческое производство в ближайшие 2—3 года. www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №2 2011

87

ПЕРЕХОД С 8051-АРХИТЕКТУРЫ НА 32-РАЗРЯДНЫЕ ПРОЦЕССОРЫ ДЖОЗЕФ Ю (JOSEPH YIU), инженер-разработчик, ARM

В статье рассматриваются вопросы перехода с 8051-процессоров на 32-разрядные процессоры ARM семейства Cortex-M. Обсуждаются ограничения 8051-архитектуры и преимущества процессоров Cortex-M3 и Cortex-M0 при решении различных задач во встраиваемых приложениях. Освещены ключевые особенности перевода приложения на 32-разрядные процессоры, которые обеспечивают более высокую производительность и надежность, а также улучшают энергосбережение системы. Статья представляет собой перевод [1].

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ И DSP

88

Сегодня большинство применяемых микроконтроллеров (МК) основано на 8-разрядной архитектуре процессоров. Доступны также 16-разрядные МК, но их доля на рынке остается небольшой по сравнению с 8-разрядными МК. Если приложение слишком сложное для 8-разрядных устройств, многие пользователи переходят сразу на 32-разрядные МК, а не на 16-разрядные, так как разница в цене невелика, а возможностей для выбора периферии, инструментов разработки, а также поставщиков чипов больше. Наиболее широко используемая 8-разрядная архитектура — 8051. Эта архитектура является популярной среди разработчиков, так как ее предлагает большинство поставщиков, она проста в использовании, имеется множество доступных программных средств разработки. Почему же многие специалисты стали переходить с 8051-процессоров на 32-разрядные процессоры, такие как ARM Cortex-M3 и Cortex-M0? 8051процессоры были разработаны компанией Intel в 1980 г. Сегодня архитектура MCS51 достигла предела своих возможностей. Не только работа с многоразрядными данными (16- или 32-битными) стала слишком медленной из-за побайтного способа их обработки, но также возник ряд физических ограничений, которые осложняют жизнь пользователям 8051-архитектуры. Например, размер программы ограничен 64 Кбайт. Имеются кристаллы на базе 8051процессора, в которых можно достичь большей памяти программ с помощью страничной организации команд или хранения их вне кристалла, но разбиение памяти на страницы имеет много недостатков: – растут непроизводительные затраты в том, что касается размера программного кода и времени выполнения команд;

WWW.ELCOMDESIGN.RU

– бесполезно расходуется память, так как банки памяти используются не полностью; – необходим специальный код надстройки для доступа данных из других программ, и этот код использует пространство стековой памяти, которая весьма ограничена в 8051-процессоре; – нет стандартизированного переключения банков памяти, что может вызывать проблемы с компиляторами, отладчиками, а также делает сложным переход на другие 8051-продукты.

– если разбиение памяти на страницы выполняется извне, это уменьшает число доступных линий ввода/ вывода, а также увеличивает стоимость системы и, кроме того, снижает надежность из-за дополнительных соединений на печатной плате. Подобно памяти программ, пространство внешней памяти данных ограничено размером 64 Кбайт. И в этом случае некоторые поставщики 8051-процессоров обеспечивают возможность страничной организации на кристалле, но они имеют те же недостатки что и разбиение памяти на страницы для программного кода. Более важным ограничением является пространство внутренней памяти. Стек 8051-поцессора может находиться только во внутренней памяти, которая ограничена размером 256 байт. Первые 32 байта используются для рабочих регистров (4 банка регистров с R0 по R7) и некоторая часть внутренней памяти может быть использована для переменных данных (например, при использовании памяти с побитовой адресацией для булевых данных она может находиться во внутренней RAM). В результате максимальный размер стековой памяти ограничивается. Существуют также ограничения на максимальное число регистров для выполнения специальных функций (SFR), а также коли-

чество указателей данных. Многие 8051-процессоры содержат указатели множественных данных (DPTR), но модель программирования для использования DPTR не стандартизована, что усложняет портирование кода приложения на различные кристаллы 8051.

ARM потратила значительные усилия на разработку новой процессорной архитектуры, которая специально предназначена для глубоко встраиваемых приложений. Первым процессором на базе архитектуры ARMv7-M стал Cortex-M3. Он был разработан с расчетом на достижение высокой производительности, многофункциональности, надежности и простоты в использовании. Затем был выпущен процессор Cortex-M0, который построен на базе архитектуры ARMv6-M. Мы попробуем объяснить, почему процессоры CortexM3 и Cortex-M0 являются естественным выбором для тех, кому нужна дальнейшая модернизация системы на базе 8051-процессора. КРАТКИЙ ОБЗОР ПРОЦЕССОРОВ CORTEX-M3 И CORTEX-M0

По регистровому банку модель программирования процессоров Cortex-M3 и Cortex-M0 почти идентична процессору ARM7TDMI. Они имеют регистры с R0 по R15, причем R13 — это указатель стека, R14 — регистр связи, а R15 — указатель команд. Однако в этих процессорах нет тех же режимов, что и в процессоре ARM7TDMI. Они могут работать только в режимах thread (потоковый режим) и handler (режим обработчика), когда запущен обработчик сбоев. Для процессора Cortex-M3 режим thread может работать либо на привилегированном уровне, либо на уровне пользовательского доступа. В отличие от процессора ARM7TDMI, в этих процессорах единственным совместно работающим регистром является R13. Второй

Рис. 1. Сравнение модели программирования процессоров 8051 и CortexM3/M0

Рис. 2. Предварительно установленная схема распределения памяти в процессорах Cortex-M3 и Cortex-M0

Процессор Cortex-M3 поддерживает технологию Thumb-2. Она включает в себя команды Thumb, используемые в процессоре ARM7TDMI, а также многие новые команды для цифровой обработки сигнала (DSP) и побитовой обработки. Это упрощает пользователям процессора ARM7TDMI перевод старого программного кода на процессоры Cortex-M3, а также позволяет разрабатывать высокопроизводительные приложения. Процессор CortexM0 поддерживает 16-разрядные команды Thumb, а также несколько 32-разрядных команд Thumb-2. Процессор Cortex-M3 также содержит опциональный блок защиты памяти (Memory Protection Unit — MPU). Он позволяет устанавливать правила доступа для предотвращения нарушения целостности данных в ядре ОС или других процессах, когда пользовательский процесс нарушается. Кроме того, MPU можно также использовать для того, чтобы делать определенные области памяти доступными только для чтения или заблокировать их в зависимости от требований приложения. Одним из крупных преимуществ проектирования системы на базе архитектуры ARM является то, что один набор инструментов разработки

может быть использован на различных ARM-процессорах, в том числе отладочных средствах. Как Cortex-M3, так и Cortex-M0 включают в себя различные функции отладки, в том числе контрольные точки останова и точки наблюдения, а на процессоре CortexM3 функции трассировки команд и данных, а также некоторые базовые функции профилирования. Так как большинство этих функций являются общими для всех МК на базе процессоров Cortex-M3 и Cortex-M0, то одни и те же инструменты отладки могут быть использованы для различных кристаллов. ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕХОДА НА 32-РАЗРЯДНУЮ АРХИТЕКТУРУ

Некоторые инженеры испытывают беспокойство и сомнения по поводу перехода на процессоры Cortex-M3 и Cortex-M0. Будучи инженером, я полностью понимаю желание досконально выяснить все вопросы, связанные с таким переходом. В данном разделе мы обсудим наиболее общие вопросы, которые могут возникнуть у специалистов по встраиваемым системам. Производительность

Производительность процессоров Cortex-M3 и Cortex-M0 более чем в

Электронные компоненты №2 2011

89 МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ И DSP

R13 обычно используется только при выполнении кода пользователя, так что стек пользователя может быть отделен от стека ядра. Сравнение моделей программирования процессоров 8051 и CortexM3/M0 представлено на рисунке 1. Для пользователей процессора 8051 модель программирования процессоров Cortex-M3 и Cortex-M0 обеспечивает более удобную работу с регистрами, так как регистры с R0 по R12 могут быть использованы для команд общего назначения, в то время как в 8051 для этого используются только регистры R0—R7 и регистраккумулятор. Так как все эти регистры являются 32-разрядными, обработка больших данных намного проще. В 8051-процессоре обработка данных целочисленного типа требует более одного регистра. И наибольшим преимуществом процессоров Cortex-M3 и Cortex-M0 является то, что любой регистр может быть использован как указатель данных для доступа к памяти. В то же время в 8051-процессоре доступ к внешней памяти обычно осуществляется с помощью DPTR или более сложным путем с помощью сочетания выходного порта 2 и регистра, чтобы сгенерировать 16-разрядный внешний адрес. Те, кто использовал процессор ARM7TDMI, наверняка заметили, что в модели программирования процессоров Cortex-M3 и Cortex-M0 разобраться намного проще и установка процессоров не так сложна, так как в них нет такого большого числа режимов работы, как в ARM7TDMI. Однако, в отличие от процессора ARM7TDMI, как Cortex-M3, так и Cortex-M0 имеют предустановленную схему распределения памяти со встроенным контроллером прерываний (который называется NVIC) и компонентами отладки, находящимися в постоянной памяти (см. рис. 2). Остальная часть 4-Гбайт памяти разделена на несколько областей для различных целей. Заданная схема распределения памяти позволяет оптимизировать процессор на максимальную производительность, хотя реальное использование памяти может быть другим, что обеспечивает высокую гибкость при настройке процессора к требованиям конкретного приложения. Организация памяти делает портирование приложений более простым, чем во многих других процессорах, представленных на рынке. Поскольку NVIC является частью процессорного ядра, установка прерываний и функции ядра не нуждается в изменении при портировании программного обеспечения с процессоров Cortex-M3 и Cortex-M0 на другие устройства.

Рис. 3. Сравнение производительности процессоров 8051, Cortex-M0 и Cortex-M3

10 раз превышает производительность многих 8051-процессоров. На рисунке 3 сравнивается производительность процессоров 8051, Cortex-M0 и Cortex-M3. Если взглянуть на большинство программных кодов для встраиваемых приложений, то часто в них используются данные целочисленного типа. В компиляторах C для 8051-архитектуры или большинства 8-разрядных МК данные целочисленного типа имеют разрядность 16 бит, поэтому каждая операция по обработке целых чисел требует несколько команд. В то же время в 32-разрядных процессорах число команд снижено всего до одной, и ее выполнение занимает всего лишь один тактовый цикл. Поэтому в 8-разрядном МК даже в простом программном цикле со счетчиком управления циклом в виде целого числа потребуется намного больше команд, чем в 32-разрядном процессоре. Другим фактором, который снижает производительность 8-разрядных МК, является шинный интерфейс. Так как многие команды являются 2- или 3-байтовыми, то для вызова команды требуется множество рабочих циклов. В результате скорость выполнения команды снижается. МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ И DSP

90

Таблица 1. Пример сравнения кода доступа в стековую память для процессоров 8051 и Cortex-M3 8051

Cortex-M3/Cortex-M0

PUSH

ACC ; 2 байта PUSH {R0-R2, LR} ; 2 байта

PUSH

R0

; 2 байта POP

PUSH

R1

; 2 байта

POP

R1

; 2 байта

POP

R0

POP

ACC ; 2 байта

RET

{R0-R2, PC} ; 2 байта

Размер программы

; 2 байта ; 1 байт

Всего = 13 байт для 8051

Быстродействие

Возможно, кто-то скажет: «8051процессор, который я использую, способен работать на частоте до 100 МГц! Разве процессоры CortexM3 и Cortex-M0 могут обойти их по быстродействию?» Ответ — да, могут. Как Cortex-M3, так и Cortex-M0 способны работать на частоте более 100 МГц при использовании обычного 0,18мкм технологического процесса и на значительно более высокой частоте при изготовлении с применением норм последнего поколения. Однако максимальная частота обычно ограничивается флэш-памятью. Поскольку размер флэш-памяти растет, максимальная частота падает. Современные МК на базе процессора Cortex-M3 уже достигли 100 МГц, и регулярно появляются новые версии процессоров. Один из поставщиков МК продемонстрировал 120-МГц устройство на базе Cortex-M3. Другой поставщик МК для продуктов на базе процессора Cortex-M0 также представил 100-МГц прототип устройства. Не забывайте о том, что при одинаковой тактовой частоте процессоры Cortex-M3 и Cortex-M0 могут работать намного быстрее, чем 8051, так как требуется меньше команд для одной и той же операции (как показано в предыдущих примерах). Поэтому даже более медленные МК на базе процессоров Cortex-M3 или Cortex-M0 могут легко опередить по системной производительности процессор 8051, работающий на частоте 100 МГц.

Всего = 4 байта для Cortex-M3/ Cortex-M0

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Некоторые специалисты беспокоятся о том, что при переходе на процессоры Cortex-M3 или Cortex-M0 размер программ может значительно увеличиться. На самом деле, если в вашей программе требуется обработка

данных, длина которых больше 8 бит, переход на Cortex-M3 существенно упрощает код приложения (и снижает вероятность появления в них ошибок!). Кроме того, множество команд 8051 занимают 2 или 3 байта, в то время как команды Thumb-2 являются намного более мощными, чем команды 8051. Например, если нужно выполнить передачу данных в область памяти, то программа, выполняющая эту задачу на 8051-процессоре, займет 18 байт, а на Cortex-M3/Cortex-M0 — всего 14 байт. Вы удивлены? С помощью процессора Cortex-M3 одно и то же задание можно выполнить, используя меньший объем программного кода и меньшее число команд (а также за более быстрое время их выполнения). В таблице 1 сравнивается программный код перемещения трёх регистров в стек, извлечения их и выдачи результата для процессоров 8051 и Cortex-M3. Команды перемещения в стек и извлечения из стека для процессоров Cortex-M3 или Cortex-M0 могут обрабатывать сразу множество регистров, а также использоваться для возврата из функции во время выполнения команды POP. Они могут серьезно сэкономить кодовое пространство для стековых операций и возврата из функции. В процессорах Cortex-M3 и Cortex-M0 имеется большее число регистров, что позволяет снизить загрузку стека при хранении регистров промежуточных данных. Во многих случаях размер программы сокращается на 50% при переходе с МК на базе 8051-процессора на МК на базе процессоров Cortex-M3 или Cortex-M0. Меньшая потребляемая мощность

Переход на процессоры Cortex-M3 или Cortex-M0 уменьшит энергопотребление. В современных сложных МК с развитой периферией и большой памятью энергопотребление памяти и периферии может быть значительно выше, чем у процессора. Кроме того, процессор Cortex-M3 включает в себя ряд функций энергосбережения, в том числе управление тактовым сигналом и дежурные режимы питания. Например, МК STM32 компании ST потребляет всего лишь 2 мкА в дежурном режиме. Это меньше, чем энергопотребление многих современных устройств на базе 8051-процессоров. Недавно представленный процессор Cortex-M0 обладает еще большими возможностями по снижению энергопотребления. В минимальной конфигурации процессор Cortex-M0 содержит всего 12 тыс. вентилей и потребляет лишь 12 мкВт/МГц. Высокая производительность процессоров Cortex-M3 и Cortex-M0 также позволяет переводить систему в дежур-

ный режим на более длительный период времени, так как время выполнения задания существенно сокращается. Процессоры Cortex-M3 и Cortex-M0 дополнительно снижают энергопотребление системы за счет уменьшения длительности активных циклов (см. рис. 4). Кроме того, так как поддержка дежурного режима является неотъемлемой частью архитектуры, программный код поддержки дежурного режима можно легко портировать на различные устройства на базе Cortex-M3 и Cortex-M0.

Надежность

Функции обработки сбоев в процессорах Cortex-M3 и Cortex-M0 улучшают надежность системы. В процессоре Cortex-M3 имеются два уровня защиты системы от полного ее выхода из строя. Первый уровень защиты определяется тремя состояниями ошибки системы, а именно, неопределенными командами, сбоями шины и случайными попытками перехода к ARM-коду (процессор Cortex-M3 поддерживает только Thumb-код). Если во время обработки этих состояний ошибки обработчик событий находит

новые сбойные события, запускается обработчик устойчивых сбоев (см. рис. 5). Процессор Cortex-M0 имеет только один уровень состояния обработки сбоев (устойчивые сбои). Когда происходит нарушение работы системы, обработчик сбоев пытается разрешить проблему или если система использует ОС, он прерывает задание. Во время разработки программы используют набор регистров состояния сбоя внутри процессора Cortex-M3, которые позволяют идентифицировать источник проблемы. Если наступает какой-либо сбой в 8051-

Простота программирования

91 МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ И DSP

С процессорами Cortex-M3 и CortexM0 удобно работать на C. В простых случаях построение полного приложения требует только таблицы векторов прерываний и кода на C. Таблица векторов прерываний может быть также закодирована на C. В некоторых случаях разработчики охотно используют ассемблер, например, при проектировании ядра ОС и кода вызова супервизора для передачи параметров. Код ассемблера для процессоров Cortex-M3 и Cortex-M0 также весьма прост. Так как Thumb-код использовался в процессоре ARM7TDMI в течение многих лет, сведения о Thumbпрограммировании и примеры кода можно найти во многих источниках.

Рис. 4. Процессоры Cortex-M3 и Cortex-M0 обеспечивают значительно меньшую среднюю потребляемую мощность при одинаковой производительности по сравнению с МК на базе 8051 и другими 8- и 16-разрядными МК

Электронные компоненты №2 2011

Рис. 5. Два уровня обработчиков сбоев, которые предохраняют от системных ошибок

Рис. 6. Сравнение таблиц векторов прерываний процессоров 8051 и Cortex-M3/Cortex-M0

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ И DSP

92

устройстве, то нет способов сообщить об этом системе, и результат может быть непредсказуемым. Возможность перегрузки процессора (если доступен сторожевой таймер) реализуется только с некоторой задержкой после выхода системы из строя и потому бесполезна. Кроме того, в процессоре Cortex-M3 имеется опциональный блок защиты памяти (MPU), который позволяет снизить вероятность нарушения целостности данных в памяти. MPU широко используются в системах с ОС реального времени. Для наиболее востребованных критически важных для безопасности приложений процессор Cortex-M3 также обеспечивает интерфейс связи с модулем-супервизором сбоев. Это позволяет создавать встраиваемые системы в соответствии со спецификацией SIL3 стандарта IEC61508 и использовать процессор Cortex-M3 в различных критически важных для

безопасности приложениях, например, в автомобильных, медицинских и военных встраиваемых решениях. Прерывания

По сравнению с 8051-процессорам, поддержка прерываний в процессорах Cortex-M3 и Cortex-M0 так же проста в использовании, но обеспечивает больше возможностей. Большинство устройств на базе процессора CortexM3 обеспечивает более 32-х прерываний и поддерживает 8…16 уровней приоритета, хотя в процессоре CortexM3 предусмотрена поддержка до 240 прерываний и до 256 уровней приоритета. Процессор Cortex-M0 поддерживает до 32-х прерываний и четырех программируемых уровней приоритета. И, в отличие от программ для ARM7TDMI, в процессорах Cortex-M3 и Cortex-M0 вложенное прерывание обрабатывается автоматически аппаратными средствами. Поэтому прерывание более высокого уровня может

Таблица 2. Сравнение задержки обработки прерывания форсированного 8051-процессора и Cortex-M3 Форсированный 8051

Cortex-M3

Задержка обработки прерывания (5 или 6 циклов) SJMP/LJMP от таблицы векторов прерываний к обработчику (3 или 4 цикла) Задержка обработки прерывания (12 циклов) PUSH PSW (2 или 3 цикла) Старт абсолютного кода обработчика ORL PSW, #00001000b (переключение банка регистров, 3 цикла) Старт абсолютного кода обработчика Всего от 13 до 16 циклов для ускоренного 8051-процессора

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Всего 12 циклов Cortex-M3

отменять прерывание более низкого уровня без сложного процесса установки. Как Cortex-M3, так и Cortex-M0 также обеспечивают немаскируемый вход прерывания. Это важно для многих критичных, с точки зрения безопасности, приложений. В процессорах Cortex-M3 и CortexM0 обработчики прерываний могут быть закодированы в C как обычные функции C. Некоторые регистры перемещаются в стек автоматически, когда происходит обработка прерывания, и автоматически восстанавливаются, когда функция возвращает свое значение. Подобно 8051-процессорам, прерывания в процессорах Cortex-M3 и Cortex-M0 являются векторными. Однако векторные адреса в 8051процессорах фиксированы, и необходима команда передачи управления, чтобы в 8051-процессоре начал работу обработчик абсолютных прерываний. В процессорах Cortex-M3 и Cortex-M0 таблица векторов прерываний определяет начальные адреса программы обработки прерываний (Interrupt Service Routine — ISR), и ядро начинает исполняться с получаемых начальных адресов. Таблица векторов прерываний может располагаться в SRAM, поэтому после загрузки системы при необходимости вектор ошибки (exception vector) может быть изменен на другой адрес обработчика. Сравнение таблиц векторов прерываний процессоров 8051 и Cortex-M3/ Cortex-M0 приведено на рисунке 6. Некоторые потребители могут использовать «форсированный» вариант устройства на 8051-процессоре, в которых задержка обработки прерывания составляет всего 5 или 6 тактовых циклов, в то время как в процессоре Cortex-M3 задержка обработки прерывания составляет 12, а в CortexM0 — 16 циклов. Поэтому можно подумать, что процессоры Cortex-M3 или Cortex-M0 работают медленнее. Однако анализ показывает, что даже при использовании «форсированных» 8051-процессоров общее время от момента прерывания до момента начала обработки прерывания примерно одинаково (см. табл. 2).

12 циклов задержки обработки прерывания на процессоре Cortex-M3 включают время для передачи регистров в стек, вызова вектора ошибки и вызова команд программы обработки прерываний (ISR). Из сравнения, приведенного в таблице 2, видно, что задержка обработки прерывания для процессора Cortex-M3 меньше, чем для форсированного 8051-устройства, который является в среднем в 8 раз более быстродействующим, чем стандартный 8051-процессор. На других

Битовые операции

Способность обрабатывать данные в битовых полях стало одним из уникальных свойств 8051-процессора, которое ценят многие программисты. На процессорах Cortex-M3 определены две области битовых полос (с побитовой адресацией), одна — в SRAM, другая — в области внешней памяти. Для того чтобы получить доступ к этому пространству с побитовой адресацией как к битовым данным, программа выбирает данные с помощью псевдонимов адресов битовых полос (bit band alias addresses). С помощью перераспределения памяти и аппаратного механизма «чтение-модификация-запись» процессор Cortex-M3 позволяет осуществлять чтение и запись индивидуальных бит в областях битовых полос. Так как битовые операции обрабатываются как обычная передача данных памяти, они могут быть реализованы в обычном коде C. Другими возможностями обработки битовых данных на процессоре CortexM3 являются действующие команды над битовыми полями (bit field operation instructions). Процессор Cortex-M3 поддерживает ряд действующих команд над битовыми полями, в том числе BFI (вставка битового поля), BFC (очистка битового поля), UBFX/SBFX (извлечение битового поля без знака/со знаком) и RBIT (реверсирование бита). Например, в таблице 3 сравнивается код извлечения с пятого по третий бит данного и передача их в регистр. Как можно заметить, новые команды для процессора Cortex-M3 значительно упрощают программный код, экономят пространство программной памяти и улучшают скорость исполнения кода.

Команды доступа к памяти в процессорах Cortex-M3 и Cortex-M0 также имеют весьма мощные режимы адресации. Это делает обработку массивов данных намного более эффективной, чем у 8-разрядных процессоров. Процессор Cortex-M3 может также осуществлять доступ к фрагментированным данным (unaligned data), что не поддерживается в процессоре ARM7TDMI. Для разработки сложных продуктов можно также использовать различные ОС реального времени, доступные для процессоров Cortex-M3 и Cortex-M0. Например, инструменты разработки KEIL предоставляют ядро RTX, которое позволяет разрабатывать многозадачные системы. Имеется также ряд других ОСРВ от различных поставщиков, осуществляющих поддержку процессоров Cortex-M3 и Cortex-M0 (см. табл. 4). С точки зрения возможностей отладки, использование процессора Cortex-M3 обеспечивает намного больше возможностей, чем применение 8-разрядного МК. В процессоре Cortex-M3 до ступ но 6 аппаратных точек прерывания, 4 точки наблюдения за данными и программные точки прерывания с помощью команд контрольного перехода. Процессор Cortex-M3 также поддерживает трассировку команд (опционально) и простую трассировку данных. Результат трассировки может быть зафиксирован с помощью анализатора порта трассировки или с помощью недорогого аппаратного трассировщика при использовании подсистемы Serial-Wire Viewer. Он также имеет ряд регистров для профилирования кода,

Таблица 3. Сравнение размера кода для извлечения битовых полей 8051

Cortex-M3

ANL A, #0x38 ; 2 байта RR

A

; 1 байт

RR

A

; 1 байт

RR

A

; 1 байт

UBFX R0, R0, #3,#3 ; 4 байта

Всего 5 байт для 8051

Всего 4 байта для Cortex-M3

помогающих оптимизировать программное обеспечение. Процессор Cortex-M0 поддерживает до 4-х аппаратных точек прерывания, 2 точки наблюдения за данными и программные точки прерывания с помощью команд контрольного перехода. Он обеспечивает либо JTAG-, либо Serial Wire-интерфейс для связи с отладчиком. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Переход от 8051-процессора на 32-разрядные устройства, такие как процессоры Cortex-M3 и Cortex-M0, не только разрешает множество проблем, связанных с ограничениями архитектуры MCS51, но, в то же время, обеспечивает более высокую производительность системы, ускоряет разработку программного обеспечения и улучшает свойства изделия, отрицательно не сказываясь на размере программ, энергопотреблении, надежности и стоимости решения. ЛИТЕРАТУРА 1. Joseph Yiu. Migrating from 8-, 16- to 32-bit Microcontrollers.

Таблица 4. Встраиваемые ОС, доступные для процессоров Cortex-M3 и Cortex-M0 Встраиваемая ОС

Поставщик

Какие еще доступны возможности?

RTX Kernel

KEIL (www.keil.com)

Процессор Cortex-M3 имеет много других мощных команд. Например, имеются команды для умножения 32-битовых данных (64-битовый результат), команды 32×32 умножения и аккумулирования, арифметические операции с насыщением, команды CLZ (Count Leading Zeros) и команды аппаратного деления. Эти команды позволяют выполнять на процессоре Cortex-M3 задачи цифровой обработки сигнала. Процессор Cortex-M0 поддерживает однотактное умножение, но не поддерживает команды DSP и MAC. Однако в большинстве автономных встраиваемых приложений эти операции могут быть реализованы программно (в том числе используя библиотеки C), так как производительность Cortex-M0 намного выше, чем большинства 16- и 32-разрядных процессоров.

FreeRTOS

FreeRTOS (www.freertos.org)

μC/OS-II

Micrium (www.micrium.com )

Thread-X

Express Logic (www.expresslogic.com)

eCos

eCosCentric (www.ecoscentric.com, http://ecos.sourceware.org)

embOS

Segger (www.segger.com)

Salvo

Pumpkin, Inc. (www.pumpkininc.com)

CMX-RTX, CMX-Tiny

CMX Systems (www.cmx.com )

NicheTask

Interniche Technologies, inc. (www.nichetask.com)

Nucleus Plus

Accelerated Technology (www.mentor.com )

μVelOSity

Green Hills Software (www.ghs.com)

PowerPac

IAR Systems (www.iar.com)

VxWorks

Wind River (www.windriver.com)

μCLinux

ARM (www.linux-arm.org/LinuxKernel/LinuxM3)

CircleOS

Raisonance (www.stm32circle.com)

Электронные компоненты №2 2011

93 МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ И DSP

вариантах 8051-процессоров задержка может быть намного больше.

Революционная платформа осциллографов LeCroy 6 Zi ПРЕИМУЩЕСТВА НОВОЙ ПЛАТФОРМЫ

Новая серия осциллографов WaveRunner компании LeCroy выполнена на инновационной платформе 6 Zi. Основные преимущества новой платформы: полоса пропускания 400 МГц…4 ГГц, память — 16 Мбайт на каждый канал (32 Мбайт при объединении каналов) с возможностью опционального увеличения длины записи до 64 Мбайт на канал (128 Мбайт при объединении); частота дискретизации увеличена до 40 Гвыб./с (для осциллографов с полосой пропускания 2,5 ГГц и выше); расширенное меню синхронизации и запуска для регистрации аномалий и редких событий; удобный пользовательский интерфейс; большой ассортимент различных пробников и принадлежностей с высокими техническими характеристиками. НОВЫЙ ДИЗАЙН И ОРИГИНАЛЬНЫЙ ПОВОРОТНЫЙ ДИСПЛЕЙ

У осциллографов WaveRunner 6 Zi существенно изменены конструкция и дизайн корпуса. Теперь они имеют широкоформатный сенсорный дисплей с диагональю 30,7 см и разрешением 1280×800 точек (WXGA). Впервые применен поворотный дисплей, который обеспечивает просмотр сигналов не только горизонтально, но и при развороте на 90°. Это увеличивает разрешающую способность по вертикали, а значит — и достоверность измерений при анализе джиттера, глазковых диаграмм и смешанных сигналов. Поворот изображения производится автоматически при установке дисплея в требуемое положение. ПОТОКОВАЯ АРХИТЕКТУРА X-STREAM II: ВЫСОКАЯ СКОРОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ И ОБРАБОТКИ

94

Высокая производительность потоковой архитектуры X-Stream II превращает длинную память для сбора данных в непревзойденное преимущество, присущее только осциллографам LeCroy. Эта архитектура использует сегменты осциллограмм переменной длины для повышения эффективности кэш-памяти процессора. Традиционные цифровые осциллографы, отображающие полноразмерные осциллограммы за один проход сбора данных, вынуждены платить за это снижением производительности, обусловленной чрезмерно упрощенной архитектурой. Возможности архитектуры X-Stream II увеличиваются при использовании процессора Intel® Dual Core™ с высокоскоростной внутренней шиной передачи данных PCIEx4, 64-разрядной ОС Windows7™ и 4-Гбайт оперативной памятью. ВСЕСТОРОННИЙ АНАЛИЗ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ДАННЫХ

Осциллографы WaveRunner 6 Zi позволяют производить тестирование протоколов новых стандартов, требующих анализа джиттера и построения глазковых диаграмм; полное тестирование протоколов на соответствие требованиям стандартов; тестирование протоколов по вложенным стандартам (более чем по 17 условиям запуска); декодирование и анализ соответствия протоколов стандартам. Новый программный пакет JITKIT Jitter позволяет анализировать основные характеристики джиттера сигналов систем синхронизации, включая период следования, полупериод, цикл (за всю историю наблюдения), наклон, амплитуду, дифференциальное пересечение напряжения, скорость нарастания выходного напряжения и другие параметры.

WWW.ELCOMDESIGN.RU

НОВЫЙ СПОСОБ НАВИГАЦИИ

Навигационная панель WavePilot обеспечивает быстрый доступ к курсорным измерениям, режимам декодирования и быстрого поиска аномалий WaveScan™, журналу истории, инструменту генерации отчетов LabNotebook™ и анализатору спектра. Многофункциональный регулятор в виде джойстика, находящийся в центре навигационной панели WavePilot, позволяет легко перемещаться по таблице, управлять масштабированием и позиционированием осциллограммы, а также быстро документировать и комментировать все производимые настройки. РАСШИРЕННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ СИНХРОНИЗАЦИИ

Широкая полоса пропускания и 10 различных интеллектуальных видов синхронизации, четырехкаскадные виды синхронизации, запуск развёртки по результатам измерений и режим TriggerScan — это стандартный набор средств, которые позволяют быстро обнаружить проблему. Новый режим синхронизации — запуск развёртки по результатам измерений — является мощной функцией регистрации событий, основанной на измерении выбранного параметра с большим разрешением. Высокоскоростной запуск по данным последовательных шин осуществляет запуск по последовательностям на скорости передачи до 3 Гбит/с на длине 80 бит. Полный спектр последовательных протоколов включает: I2C, SPI, UART, RS-232, Audio (I2S, LJ, RJ, TDM), CAN, LIN, FlexRay, MIL-STD-1553, SATA,PCIe, 8b/10b, USB2 и многие другие. Осциллографы имеют возможность инсталляции пакета SPECTRUM, позволяющего настраивать режим расширенного частотного анализа так же, как при работе с обычным анализатором спектра. Доступны манипуляции с центральной частотой, полосой обзора, полосой пропускания, пикмаркерами, растяжка спектрограмм и т.д.

TRIGGERSCAN™

Функция TriggerScan™ использует высокоскоростную аппаратную схему синхронизации с послесвечением экрана, чтобы отфильтровать только интересующие сигналы и обеспечить до 100 раз более высокую скорость поиска, чем другие методы. Традиционные режимы быстрого обновления экрана работают лучше всего над частыми событиями, происходящими в низкочастотном сигнале, в то время как TriggerScan™ является лучшим средством обнаружения редких событий в ВЧ-сигнале. Осциллографы серии WaveRunner 6 Zi обеспечивают достоверное воспроизведение реального сигнала с минимальным уровнем искажений и шумов, имеют широкий диапазон значений постоянного смещения по горизонтали и временной задержки по вертикали, что позволяет легко оценить характеристики входного сигнала при его растяжке. По сравнению с предыдущей серией собственный уровень шумов уменьшен на ~5 дБ. Использование операционной среды Windows 7 и потоковой архитектуры X-Stream II позволило получить быстрый отклик осциллографа на манипуляции систем управления. Расширенный инструментарий анализа сигналов систем последовательной передачи данных, а также сохранение цены на уровне стоимости предыдущей серии — всё это делает осциллографы на платформе WaveRunner 6 Zi наиболее конкурентоспособными в диапазоне полос пропускания 400 МГц…4 ГГц.

Новые компоненты на российском рынке контроля и управления SPI. Вывод данных осуществляется через параллельный скоростной интерфейс LVDS.

АЦП/ЦАП

Самый компактный в отрасли 2-канальный АЦП от Maxim минимизирует габариты и энергопотребление системы

96

Компания Maxim Integrated Products представляет самый компактный в отрасли 2-канальный АЦП. Этот 12-разрядный АЦП имеет встроенный источник опорного напряжения (ИОН) и выполнен в микроминиатюрном корпусе типа WLP (1,9×2,2 мм). Выводы микросхемы расположены в виде матрицы 3×4 с шагом 0,5 мм, что упрощает разработку 4-слойных печатных плат, в то время как высота 0,64 мм делает эти АЦП идеальными в случае их монтажа на обеих сторонах платы. Обладая, наряду с компактными размерами, лучшими в своем классе показателями по рассеиваемой мощности (18 мкВт при времени преобразования 1 мс), MAX11645 отлично подходят для самых различных применений — от энергосберегающих датчиков и портативной бытовой техники до устройств мониторинга в местах подключения нагрузки (напряжение, ток, температура) в сетевых и компьютерных системах. Частота выборки MAX11645 составляет до 94 тыс. выборок в секунду, что в 28 раз быстрее частоты ближайшего конкурентного устройства. Благодаря такому преимуществу за данный промежуток времени возможно преобразование по большому числу каналов. АЦП может более длительное время находиться в выключенном режиме, тем самым дополнительно уменьшая общее энергопотребление системы.

12-разрядный АЦП MAX11645 требует одно напряжение питания от 2,7 до 3,6 В и имеет встроенный ИОН 2,048 В.

MAX11645 — еще одна микросхема в широком семействе АЦП компании Maxim с интерфейсом I2C. Будучи совместимыми по выводам и программно, эти 2-/4-/8-/12-канальные 8-/10-/12-разрядные АЦП позволяют разработчикам легко решать вопросы комплексной оптимизации устройств по габаритам, производительности и стоимости. Для применений, где требуется разрешение менее 12 разрядов, предлагается MAX11647 — 10-разрядный АЦП, совместимый по выводам с MAX11645. MAX11645/ MAX11647 предлагаются в 12-выводном корпусе WLP и 8-выводном корпусе μMAX® и работают в расширенном температурном диапазоне от –40…85°C. Maxim Integrated Products www.maxim-ic.com/ru

Дополнительная информация: см. «Симметрон», ЗАО Маломощные высокоскоростные АЦП от Analog Devices

Компания Analog Devices, лидер на рынке преобразователей, представила два новых маломощных высокоскоростных сдвоенных АЦП. Новые АЦП — AD9284 и AD9286, потребляют на 40% меньше мощности по сравнению с аналогичными изделиями конкурентов. Микросхемы обеспечивают точность преобразования сигнала 8 бит при скоростях до 250 МГц (AD9284) и 500 МГц (AD9286), обладают отличным соотношением сигнал-шум (49,3 дБ) и динамическим диапазоном, свободным от искажений, до 65 дБн. Из других особенностей стоит отметить встроенный источник опорного напряжения, усилитель выборки-хранения и стандартный порт

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Микросхемы найдут широкое применение в портативном и стационарном измерительном оборудовании, медицинской технике, в радиоприемных и передающих трактах. Миниатюрный корпус 48-LFCSP позволит сэкономить место на печатной плате и уменьшить габариты устройства. Интерфейс управления (SPI) и интерфейс выходных данных (LVDS) упрощают ее сопряжение с микроконтроллером, процессором или ПЛИС. Краткие технические характеристики АЦП: – число разрядов преобразования: 8 бит; – максимальная частота преобразования: 250 МГц (AD9284) и 500 МГц (AD9286); – номинальное напряжение питания: 1,8 В; – номинальный потребляемый ток: 175 мА (AD9286); – отношение сигнал-шум: 49,3 дБ (при Fвх = 200 МГц и Fтакт = 500 МГц); – динамический диапазон, свободный от искажений: 65 дБн (при Fвх = 200 МГц и Fтакт = 500 МГц); – диапазон рабочих температур: –40…85°С; – тип корпуса: 48-LFCSP. Микросхемы доступны для заказа как в образцах, так и для серийного производства.

Analog Devices Inc. www.analog.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ООО

ВСТРАИВАЕМЫЕ СИСТЕМЫ

Малогабаритный недорогой твердотельный накопитель с интерфейсом SATA от InnoDisk

Компания InnoDisk представляет новый твердотельный промышленный накопитель серии SATA Slim J80. Особенностями этих накопителей являются: – ультракомпактные размеры (по объему они в 8 раз меньше обычных SSD формата 2,5”); – высокоскоростной интерфейс SATA II (3 Гбит/с); – разъем SATA, аналогичный разъему стандартных 2,5дюймовых жестких дисков и SSD; – цена на 30—40 % ниже цены на аналогичные промышленные SSD формата 2,5”. Накопители SATA Slim J80 предназначены для использования в устройствах небольшого размера, например, в нетбуках, планшетных компьютерах, GPS-навигаторах, портативных измерительных устройствах, встраиваемых промышленных компьютерах системах. Основные характеристики накопителей приведены в таблице.

Объем хранимых данных, Гбайт Интерфейс Скорость передачи данных, Мбит/с Диапазон рабочих температур, °С Напряжение питания, В Максимальный ток потребления, мА Размеры, мм Функции SMART

1…16 SATA II 3.0G чтение: 90, запись: 60 0…70 5 250 54×3 ×4 Поддерживаются

InnoDisk www.innodisk.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ООО

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

Два новых семейства осциллографов от Agilent Technologies

Компания Agilent Technologies представила новое поколение осциллографов смешанных сигналов и цифровых запоминающих осциллографов InfiniiVision 2000 и 3000 серии X, состоящее из 26-ти моделей. Использование революционной технологии позволило значительно расширить возможности осциллографов такого класса. Новые осциллографы Agilent InfiniiVision 2000 серии X с верхней границей полосы пропускания 70…200 МГц и отличаются самой высокой скоростью обновления экрана в своем классе, что позволяет анализировать мельчайшие детали сигнала и захватывать редкие непериодические события. Первый в своем классе осциллограф смешанных сигналов (MSO) с 8-ю опциональными цифровыми каналами и единственным в отрасли интегрированным генератором стандартных сигналов (опция), предоставляет инженерам и преподавателям более широкие возможности при ограниченном бюджете. Характеристики новых осциллографов Agilent InfiniiVision 3000 серии X значительно улучшены, а цены удерживаются на прежнем уровне. Модели этой серии имеют полосу пропускания 100…500 МГц, а скорость обновления экрана составляет 1000000 сигналов в секунду. Среди опциональных возможностей — 16 цифровых каналов (MSO), интегрированный генератор стандартных сигналов и аппаратная реализация декодирования сигналов последовательных шин. В основе осциллографов InfiniiVision серии X лежат разработанные Agilent специализированные КМОП ИС, изготавливаемые по нормам 90 нм, со встроенной памятью. Одночиповая технология MegaZoom IV обеспечивает высочайшую скорость обновления экрана, глубокую память, а также функциональные возможности логического анализатора, генератора стандартных форм сигналов и анализатора протоколов. Таким образом, у разработчиков и преподавателей теперь появилась возможность выбрать осциллограф с расширенной функциональностью по доступной цене.

Agilent Technologies Inc. www.agilent.ru

Дополнительная информация: см. Agilent Technologies Inc. Компания Agilent Technologies выпустила экспресс-конфигурации для анализаторов и генераторов сигналов

Компания Agilent Technologies представила экспрессконфигурации для популярных анализаторов сигна-

лов CXA/EXA и генераторов сигналов MXG. Экспрессконфигурации обеспечивают быструю поставку со склада контрольно-измерительных приборов наиболее популярных конфигураций. Эта услуга гарантирует максимально быструю поставку готового к немедленному применению контрольно-измерительного оборудования для КБ и производственных линий заказчика, что экономит время, средства и трудозатраты. Приборы Agilent с экспресс-конфигурацией — это приборы c предварительно настроенными опциями. Они обладают теми же техническими характеристиками, возможностями обновления и дистанционной идентификацией прибора через SCPI, что и обычные версии. Экспрессконфигурации предлагают наиболее популярные функции по выгодной цене. Все приборные опции активируются лицензионными ключами, гарантируя еще большие удобства и простоту поставки. Сегодня новые экспресс-конфигурации компании Agilent включают следующие приборы.

– Экспресс конфигурация для генератора аналоговых ВЧ-сигналов Agilent MXG (100 кГц…1, 3 или 6 ГГц) оптимизирована для разработки компонентов и производственного тестирования.

– Экспресс-конфигурация для генератора аналоговых СВЧ-сигналов Agilent MXG (100 кГц…20 ГГц) оптимизирована для производства широкополосных компонентов. Благодаря небольшому размеру (2 единицы) занимает меньше места в стойке.

– Экспресс-конфигурация для анализатора сигналов Agilent CXA (9 кГц…3 или 7,5 ГГц) поддерживает стандартные однокнопочные измерения, такие как мощность в канале, занимаемая полоса частот и мощность в соседнем канале.

– Экспресс-конфигурация для анализатора сигналов Agilent EXA (9 кГц…3,6; 7,0; 13,6 или 26,5 ГГц) предлагает самые быстрые средства повышения производительности производственной линии и снижения общих затрат на тестирование.

Agilent Technologies Inc. www.agilent.ru

Дополнительная информация: см. Agilent Technologies Inc.

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Модули источников питания DIN RAIL от Peak electronics

Модули источников питания DIN RAIL от Peak electronics содержат опциональный светодиодный индикатор включения питания, предохранитель, защиту от превышения напряжения и резервирование, подстройку напряжения и встроенные функции включения/ выключения. Доступны модули для DC/DC-преобразователей с одиночным, сдвоенным и строенным выходом в корпусе DIP24 и в 1×2-дюймовых и 35-мм корпусах (PHM1). Более крупные DC/DC-преобразователи (размером 1,6×2 и 2,6×3 дюймов) мощностью до 75 Вт могут быть смонтированы в 70/105-мм корпусах (PHM2/ PHM3). Кроме того, доступны модули для AC/DC-преобразователей, драйверов светодиодов, а также для заказных решений. Если Вам нужны какие-либо специализированные источники питания, свяжитесь с нами. Типичными функциями для источников питания, которые можно реализо-

Электронные компоненты №2 2011

97

вать на заказ, являются сверхвысокий диапазон входных напряжений, и/или нестандартные выходные напряжения и специальные корпуса.

PEAK electronics GmbH www.peak-electronics.de

Дополнительная информация: см. «Компэл», ЗАО

КВАРЦЕВЫЕ ПРИБОРЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ Новый прецизионный термокомпенсированный кварцевый генератор от ОАО «Морион»

ОАО «Морион» (Санкт-Петербург) представляет новый прецизионный термокомпенсированный кварцевый генератор ГК270-ТК. Ключевой особенностью прибора является сочетание следующих характеристик.

– Стабильность частоты на уровне термостатированного генератора (~10 –7).

– Малое значение потребляемой мощности — как после включения генератора, так и в установившемся режиме (около 100 мВт).

– Малое время стабилизации частоты после включения (около 2…3 с).

– Низкий уровень фазовых шумов. ГК270-ТК является продолжением семейства качественно новых прецизионных термокомпенсированных генераторов ГК202-ТК и ГК203-ТК, но при этом разработан для поставок в категории качества «ВП». ГК270-ТК имеет стандартные частоты: 9,8304; 10,0; 12,288; 12,8 МГц, выходной сигнал SIN и напряжение питания 5 или 12 В. Прибор обеспечивает температурную стабильность частоты до 1,0 . 10 –7 в широком интервале рабочих температур и долговременную стабильность частоты до 1,5 . 10 –7 за год. Генератор выполнен в стандартном корпусе с размерами 36×27×12,7 мм однако при этом имеет очень перспективное исполнение с высотой 10 мм. ГК270-ТК предназначен для специальных применений и будет поставляться в категории качества «ВП» со 2-го квартала 2011 г. Дополнительная информация об этих и других новых приборах доступна на сайте ОАО «Морион» www.morion.com.ru. ОАО «Морион» www.morion.com.ru

Дополнительная информация: см. «Морион», ОАО

МК И DSP

98 Microchip расширяет семейство 32-разрядных МК PIC32 со встроенными интерфейсами Ethernet, CAN и USB

Компания Microchip представляет 6 новых микроконтроллеров семейств PIC32MX5/6/7 с увеличенным объемом памяти, выполненной по новой, более дешевой, технологии. Помимо этого, улучшено энергопотребление (0,5 мА/МГц), увеличено количество циклов перезаписи (до 20000 циклов) и, соответственно, обеспечена лучшая эмуляция EEPROM. Новые микроконтроллеры PIC32 совместимы по выводам с другими представителями семейств, что дает возможность простого перехода в случае необходимости оптимизации объема памяти, производительности и цены.

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Микроконтроллеры имеют тактовую частоту 80 МГц, что позволяет разработчикам снизить цену конечного изделия, не жертвуя при этом производительностью или функциональностью. Производительность ядра MIPS32 M4K, составляющая 1,56 DMIPS/МГц (лучшая в классе 32-разрядных микроконтроллеров), а также встроенная коммуникационная периферия (Ethernet, CAN, USB, последовательные порты) дополняют широкие возможности новых представителей семейства PIC32, имеющих 32-Кбайт ОЗУ и до 140-Кбайт флэш-память. Микроконтроллеры доступны в пяти типах корпусов: 100выводном TQFP 12×12 мм, TQFP 14×14 мм и BGA, а также 64-выводном TQFP и QFN. Области применения новых микроконтроллеров PIC32.

– Коммуникации: POS-терминалы, встраиваемые WEBсерверы, мосты и преобразователи протоколов.

– Промышленная электроника: системы автоматизации.

– Медицина и системы безопасности: контрольное оборудование.

– Бытовая техника: аудио, MP3, дисплеи, спортивная электроника.

– Автомобильная электроника: сигнализация, системы слежения, маршрутные компьютеры. Для начала работы с микроконтроллерами PIC32 доступно два стартовых набора: PIC32 Ethernet Starter Kit (DM320004) и PIC32 USB Starter Kit II (DM320003-2). Также имеется встраиваемый модуль (MA320003) для платы Explorer 16 Development Board (DM240001).

Microchip Technology www.microchip.com

Дополнительная информация: см. Microchip Technology

Отладочный комплект Bluetooth Kit от Microchip для разработки устройств связи с BlueTooth

Компания Microchip анонсирует отладочный комплект Bluetooth Evaluation Kit, который обеспечивает демонстрацию работы Bluetooth-стека dotstack™ от компании CandleDragon Inc. Комплект предоставляет простой и недорогой способ изучения стека совместно с большинством 16/32-разрядных PIC микроконтроллеров или dsPIC цифровыми сигнальными контроллерами с использованием существующих отладочных средств Microchip. Существующие беспроводные Bluetooth-модули, как правило, дороги и обеспечивают недостаточно гибкие решения, так как содержат микросхему радиоканала и зашитый микроконтроллер с поддержкой радиомодема. Новое совместное решение Microchip и CandleDragon позволяет разработчикам выбрать оптимальную пару из многих 16/32-разрядных PIC-микроконтроллеров и Bluetooth-микросхем. Стек от компании CandleDragon соответствует Bluetooth SIG и поддерживает различные профили для одного микроконтроллера, включая SPP, HFP и HID. Дополнительные профили для контроллеров Microchip планируется представить в ближайшем будущем. Стек Bluetooth Stack может быть бесплатно загружен для оценки и начала разработки с сайта Microchip www.microchip.com/get/A0NT. Лицензионные отчисления для производства устройств на базе стека начинаются от $4250 за 5000 шт. устройств. Отладочный комплект Microchip Bluetooth Evaluation Kit (DM183036) доступен для заказа. Набор содержит дочернюю плату Bluetooth PICtail™ Plus, а также процессорные модули с 16-разрядным USB-микроконтроллером

PIC24FJ256GB110 и 32-разрядным контроллером с CAN и USB PIC32MX795F512L. Оба контроллера запрограммированы Bluetooth-стеком dotstack от CandleDragon и демонстрируют работу SPP-профиля. Этот отладочный комплект разработан для использования совместно с отладочной платой Explorer 16 Development Board (DM240001), которая доступна отдельно.

Microchip Technology www.microchip.com

Дополнительная информация: см. Microchip Technology

СВЕТОТЕХНИКА И ОПТОЭЛЕКТРОНИКА Драйвер светодиодов серии PMLEDU от Peak electronics

Компания Peak electronics предлагает PLED-UW1-xxx — высокоэффективный повышающий преобразователь, оптимизированный для управления сильноточными светодиодами. Алгоритм управления преобразователем обеспечивает высокоэффективную и точную стабилизацию тока светодиода. Прибор работает от постоянного входного напряжения в диапазоне 9…36 В и обеспечивает выходной ток до 700 мА с возможностью внешней регулировки и мощность на выходе до 33,6 Вт. Компактный размер корпуса (2×1 дюйм) позволяет разработчику интегрировать этот драйвер совместно со светодиодным модулем. Пластмассовый корпус класса UL-94V0 из высококачественного материала обеспечивает прекрасные огнестойкие характеристики.

PEAK electronics GmbH www.peak-electronics.de

Дополнительная информация: см. «Компэл», ЗАО

Agilent Technologies Inc. 115054, Москва, Космодамианская наб., 52, стр. 1 Тел.: +7 (495) 797-3928 tmo_rus@agilent.com www.agilent.ru Microchip Technology Тел.: (812) 325-5115 sale@gamma.spb.ru www.microchip.com «Компэл»», ЗАО 115114, Москва, ул. Дербеневская, д.1, под. 28, офис 202 Тел.: +7 (495) 995-09-01 Факс: +7 (495) 995-09-02 msk@compel.ru www.compel.ru «Морион», ОАО 199155, С.-Петербург, пр. Кима, д. 13а Тел.: (812) 350-75-72, (812) 350-9243 Факс: (812) 350-72-90, (812) 350-1559 sale@morion.com.ru www.morion.com.ru «Симметрон», ЗАО 125315, Москва, Ленинградский проспект, д. 68 Тел./Факс: (495) 797-55-35, 797-55-45 moscow@symmetron.ru www.symmetron.ru «Элтех», ООО 198035, С.- Петербург, ул. Двинская, 10, к. 6А Тел.: +7 (812) 635-50-60 Факс: +7 (812) 635-50-70 info@eltech.spb.ru www.eltech.spb.ru

СОБЫТИЯ РЫНКА | «СВЕТЛАНА-ОПТОЭЛЕКТРОНИКА» РАСШИРЯЕТ СЕТЬ ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ В РОССИИ И СНГ | В связи с возросшим спросом на энергосберегающую светодиодную светотехнику компания «Светлана-Оптоэлектроника» расширяет сеть торговых представительств в России и СНГ. По мнению маркетологов компании, рынок светодиодной светотехники сильно недооценен экспертами, его объем составляет около миллиарда долларов. К сожалению, сегодня на российском рынке велика доля компаний, которые торгуют низкокачественной китайской продукцией и лоббируют ее по государственным региональным программам закупок, не присутствуя на открытом рынке. В настоящее время ЗАО «Светлана-Оптоэлектроника» существенно увеличивает мощности по производству широкого ассортимента светильников для промышленности, ЖКХ, офисов, улиц, специального освещения РЖД, а также взрыво- и пожарозащищенного оборудования, соответствующего всем нормативным требованиям. www.lightingmedia.ru

НОВОСТИ ДАТАКОМ | «УМНЫЕ ОСТАНОВКИ» В ТАМБОВЕ | В Тамбове появились три остановочных павильона, позволяющие отслеживать перемещение общественного транспорта и осуществлять различные платежные операции, включая пополнение карт безналичной оплаты проезда в транспорте. «Умные остановки», установленные «М2М-телематика Тамбов», оснащены системой ГЛОНАСС и видеокамерами для обеспечения дополнительной безопасности пассажиров. В скором времени в рамках проекта будет установлена и система громкой связи с кнопкой вызова служб экстренного реагирования. Финансирование проекта в части размещения оборудования осуществляется компанией «Интеркапитал-Банк», а в части подключения коммуникаций — администрацией Тамбова. До конца года планируется установить еще 100 «умных остановок» за счет средств коммерческих предприятий. www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №2 2011

99