Электронные компоненты №3/2010 by Oleg Polikarpov

содержание

№3/2010 42 Пол Рако Повышение линейности и эффективности РЧ-усилителей

РЫНОК 9 Без стереотипов 12 Александр Хабаров Знакомьтесь — производственный альянс «Контракт Электроника»

48 Рон Уилсон Создание аналоговой системы с помощью программируемых кристаллов

РАЗРАБОТКА и КОНСТРУИРОВАНИЕ

52 Андрей Никитин Линейные регуляторы компании STMicroelectronics

МОБИЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

24 Владимир Бродин Модульная микроконтроллерная система с разделением функций управления и отображения информации

56 Кен Мараско Интеллектуальные драйверы уменьшают энергопотребление и упрощают разводку печатных плат в портативных системах

27 Александр Сидоров Особенности нанесения фоторезиста при производстве МЭМС-устройств

59 Сергей Кривандин, Андрей Конопельченко DC/DC-преобразователи PEAK в SMD-корпусах для портативных и мобильных приборов

АНАЛОГОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

СВЕТОТЕХНИКА и ОПТОЭЛЕКТРОНИКА

31 Марк Фортунато Разработка аналоговых ВЧ-фильтров без конденсаторов в сигнальном тракте. Часть 2

64 Виктор Александров Выбор оптимального драйвера светодиодной системы. Часть 2

38 Геннадий Денисов Шумы в электрических схемах с операционными усилителями

70 Антон Булдыгин Истинные параметры мощных светодиодов Philips Lumileds Luxeon Rebel

журнал для разработчиков

16 Валерий Жаднов, Александр Гаршин, Иван Жаднов Дифференцированная оценка влияния ВВФ при проектных исследованиях надежности электронных компонентов

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: elecom@ecomp.ru, www.elcp.ru ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА: Мир электроники (Самара): 443080, г. Самара, ул. Революционная, 70, литер 1; тел./факс: (846) 267-3139, 267-3140; е-mail: info@eworld.ru, www.eworld.ru. Радиоэлектроника: 620107, г. Екатеринбург, ул. Гражданская, д. 2, тел./факс: (343) 370-33-84, 370-21-69, 370-19-99; е-mail: info@radioel.ru, www.radioel.ru. ЭЛКОМ (Ижевск): г. Ижевск, ул. Ленина, 38, офис 16, тел./факс: (3412) 78-27-52, е-mail: office@elcom.udmlink.ru, www.elcompany.ru. ЭЛКОТЕЛ (Новосибирск): г. Новосибирск, м/р-н Горский, 61; тел./факс: (3832) 51-56-99, 59-93-31; е-mail: info@elcotel.ru, www.elcotel.ru. Издательство «Электроника инфо» (Минск): 220015, г. Минск, 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 09.04.2010 г. Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 3000 экз. Изготовлено ООО «Группа Море». г. Москва, Хохловский пер., д. 9. Тел.: +7 (495) 917-80-37.

Электронные компоненты

www. elcp.ru

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ 74 Илья Плоткин, Игорь Твердов, Сергей Слепов Источники бесперебойного питания для стационарных и подвижных объектов

АЦП и ЦАП 78 Наталья Кривандина Микросхемы ЦАП фирмы Maxim Integrated Products

99 Анатолий Тарасов Как увеличить эффективность встраиваемых процессоров 101 Сергей Ковалев Процессоры Samsung + операционная система Linux = простое и эффективное решение для технологии Digital Signage

ПОСЛЕ РАБОТЫ

4 СОДЕРЖАНИЕ

83 Андрей Никитин Цифровые потенциометры компании On Semiconductor

ДИСКРЕТНЫЕ КОМПОНЕНТЫ 87 Евгений Силкин Силовые оптотиристоры для преобразователей и регуляторов с фазовым управлением

109 Андрей Щедрин, Юрий Колоколов Двухчастотный металлоискатель BM8043 — «КОЩЕЙ» 111 Тон Гисбертс Заехать в гараж? Легко! 113 НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ НА РОССИЙСКОМ

МК и ДСП 93 Джозеф Ю Почему стоит переходить на 32-разрядную архитектуру микроконтроллеров

WWW. ELCP.RU

РЫНКЕ

contents # 3 / 2 0 1 0 E LEC TRO N I C COM PO N E NT S #3 2010 MARKET 9 Without Stereotypes 12 Alexander Khabarov Meet the Production Union “Contract Electronica”

DESIGN and DEVELOPMENT 16 Valery Zhadnov, Alexander Garshin and Ivan Zhadnov Differential Estimating Exterior Actuating Factors at Design Research of Reliability of Electronic Components 24 Vladimir Buldygin Modular Microcontroller System with Sharing of Control and Display Tasks 27 Alexander Sidorov Features of Photoresist Coating in Production of MEMS Devices

LIGHTING and OPTOELECTRONICS 64 Victor Alexandrov Selecting Optimal Driver for LED System. Part 2 70 Anton Buldygin True Parameters of High-Brightness Philips Lumileds Luxeon Rebel LEDs

POWER SUPPLIES 74 Ilya Plotkin, Igor Tverdov and Sergey Slepov Uninterruptible Power Supplies for Stationary and Mobile Objects

ADC/DAC 78 Natalya Krivandina DACs from Maxim Integrated Products 83 Andrey Nikitin Digital Potentiometer from On Semiconductor

ANALOG

38 Gennady Denisov Noise Analysis in Operational Amplifier Circuits 42 Paul Rako Heads and Tails: Design RF Amplifiers for Linearity and Efficiency 48 Ron Wilson Programmable Chips: Piecing Together an Analog Solution 52 Andrey Nikitin Linear Controls from STMicroelectronics

DISCRETE 87 Evgeny Silkin Power Optothyristors for Converters and Regulators with Phase Control

MCU and DSP 93 Joseph Yiu What Next for Microcontrollers? 99 Anatoly Tarasov How to Increase Efficiency of Embedded Processors 101 Sergey Kovalev Processors from Samsung + Linux = Simple and Efficient Solution for Digital Signage

LEISURE TIME MOBILE DEVICES 56 Ken Marasco Smart Drivers Reduce Energy Use and PCB Clutter in Portable Electronic Systems 59 Sergey Krivandin and Andrey Konopelchenko PEAK DC/DC Converters in SMD Cases for Portable and Mobile Devices

109 Andrey Schedrin and Yury Kolokolov KOSCHEY, Two-frequency Metal Finder VM8043 111 Ton Giesberts Easy Driving into Garage 113 NEW COMPONENTS IN THE RUSSIAN

MARKET Электронные компоненты №3 2010

5 СОДЕРЖАНИЕ

31 Mark Fortunato Develop Analog High-Pass Filters without Capacitors in the Signal Path. Part 2

Компании:

ПРОИЗВОДИТЕ ЛИ, ДИС ТРИБЬЮТОРЫ, ПОС ТАВЩИКИ

41 Agilent Technologies Inc. 97 ARM 7 EEMB 2-я обл. Digi-Key 2 Intersil 8 Farnell 21 Microchip Technology Corp. 61 Peak Electronics 35 Texas Instruments 43 Treston

91 Александер Электрик Дон, ООО 77

Александер Электрик источники электропитания, ООО

15 Вест-Эл 36 Гранит-ВТ, ЗАО Спб 107 Золотой Шар 33, 4-я обл. Компэл, ЗАО 13 Контракт Электроника 37 Макро Групп, ООО 51 Мастер-Тул, ООО (Свемел, Группа компаний) 105 МТ-Систем, ООО 98 Неон, ООО 47 НКАБ-ЭРИКОН, ООО 45, 89 Платан Компонентс, ЗАО 29 Предприятие Остек, ЗАО

39 Политекс, ООО СОДЕРЖАНИЕ

49, 95 Радиокомп, ООО 4 Резонит, ООО 71 Светотроника 19 Симметрон, ЗАО 67 Синтез Микроэлектроника 23 СМП, ООО 25 Терраэлектроника, ООО 3-я обл. ЧипЭкспо, ЗАО 65 Электроконнект, ООО 69 Элитан, ЗАО 1 Элтех, ООО

WWW. ELCP.RU

БЕЗ СТЕРЕОТИПОВ Обычно в этой рубрике мы рассказываем о компаниях, которые давно и успешно работают на рынке электроники. На сей раз мы изменили своему правилу. Речь пойдет о компании-новичке, только собирающейся выйти на рынок с новым продуктом — суперконденсаторами. С компанией «Барган Технолоджи» нас познакомил ее учредитель Василий Барган, он же основатель «Барган Продакшн Групп» и «Барган Ньюс». Беседа заметно отличалась от интервью, в которых мне приходилось участвовать ранее. Вначале некоторые суждения Василия Барган показались мне даже немного наивными, но согласитесь — трудно заподозрить в наивности автора 32-х изобретений с семилетним опытом коммерциализации идей и технологий. Чуть позже я понял, в чем дело: у моего собеседника полностью отсутствуют стереотипы суждений, часто встречающиеся у людей, давно занимающихся электроникой. Компания «Барган Технолоджи» молода и по-хорошему агрессивна, а ее планы впечатляют.

— «Барган Технолоджи» — научноисследовательская компания, но,

судя по организационной структуре, научно-исследовательской работой занимаются менее половины сотрудников. Чем это объясняется и каковы накладные расходы? — Компания «Барган Технолоджи» занимается не только научноисследовательской деятельностью, но и подготовкой проектной документации для превращения идеи в готовый проект, понятный инвестору. Мы являемся уникальной компанией, представляющей собой связующий элемент между изобретателем и инвестором. Другими словами, мы оказываем инжиниринговые услуги по подготовке проектов разной сложности и на разных этапах развития, но приоритетным проектом является наш собственный. Каждый сотрудник компании имеет четко определенные для него обязанности и является неотъемлемой частью команды. Примерное распределение затрат в целом за все время деятельности компании: НИОКР — 35%; аренда — 15%; управленческие (в т.ч. административно-хозяйственные и консалтинговые услуги) — 50%. — Суперконденсаторы — первый опыт компании на рынке электроники? Как Вы планируете организовать производство?

— Да, это первый опыт компании. Существует бизнес-план по организации производства и развитию компании на ближайшие пять лет. В процессе подготовки проекта была проделана огромная работа: НИР, составлено НТО проекта, был исследован рынок конденсаторов, проведены маркетинговые исследования, разработана финансовая модель развития компании, подготовлена производственная часть, заключены предварительные договоренности с производителями оборудования и поставщиками сырья и материалов. — Почему Вы выбрали суперконденсаторы? Этот рынок достаточно насыщен. Где Вы видите экономическую нишу для своих изделий? — Суперконденсаторы присутствуют во всех электронных устройствах, и единственная причина, сдерживающая их широкое внедрение — цена и размеры. Рынок достаточно насыщен, однако практически отсутствуют барьеры для выхода на него с инновационным, я даже сказал бы, революционным продуктом. Рынок конденсаторов обладает спецификой, характерной для многих B2B рынков, а именно: до 80% конденсаторов на рынке производится на заказ, под конкретные требования клиентов. В

Удостоенные наградами изобретения В.А. Барган: • XII Международный салон промышленной собственности «Архимед-2009»; • Золотая медаль за разработку «Экзотермический нагреватель»; • сертификат №00124 Международного инновационного клуба «Архимед»; • Международный салон «Комплексная безопасность-2009»; • лучшая инновация для нужд МЧС и МВД России; • диплом III степени в номинации «Лучшие инновации в области комплексной безопасности»; • Золотая медаль «Гарантия качества и безопасности»; • Международный салон изобретений «Женева-2009»: Серебряная медаль за изобретение «Комплект самонагревающийся для разогрева еды в любых условиях»; • Европейский салон изобретателей «Лепин-2009», Страсбург: Серебряная медаль за изобретение «Устройство для нагрева»; • В 2009 г. Всемирная организация World Imperial Society – Императорское общество удостоило Василия Барган Золотым орденом семьи Романовых «Святой Николай II» 3-й степени.

Электронные компоненты №3 2010

9 РЫНОК

— Расскажите, пожалуйста, о «Барган Технолоджи»: история компании; структура; численность. — «Барган Технолоджи» — научноисследовательская компания, специализирующаяся на внедрении нанотехнологий в производство пассивных элементов радиоэлектроники (наноконденсаторов). Компания предоставляет уникальные решения: конденсаторы повышенной емкости компактных размеров. Цель нашей компании — создание и развитие новых высокотехнологичных российских производств, увеличение доли высокотехнологичной продукции в структуре экспорта, снижение импорта дорогостоящих комплектующих и оборудования в нашу страну, прямое и косвенное приращение ВВП от реализации продукции, увеличение налоговых поступлений в федеральный бюджет. Задачи выглядят глобальными, а для многих компаний — бредовыми, но мои партнеры и коллеги не сомневаются в возможности их выполнения. Убежден — сотрудничество с государством позволит развиться отрасли в целом и моей компании, в частности. И, безусловно, без опыта и желания работающей над проектом команды достигнуть результата очень сложно. В нашей компании трудятся и молодые специалисты, и профессионалы с солидным опытом. У нас есть внештатные сотрудники, профессиональный опыт которых исчисляется десятками лет, а их компетенция не вызывает сомнений даже у скептиков. На сегодняшний момент штат «Барган Технолоджи» состоит из 15-ти человек и включает в себя следующие отделы: технический; финансовоправовой; административный; маркетинговый.

целом я не стал бы делить данный рынок по экономическим нишам, т.к. конденсаторы подбираются заказчиками не столько по цене, сколько по техническим характеристикам, и на нем нет «премиальных» продуктов или брендов. Наша технология позволит нам выйти на все сегменты рынка не только суперконденсаторов, но и конденсаторов в целом, будь то конденсаторы для мобильных телефонов или лазерных установок, гибридных автомобилей или электронных счетчиков и др. Немного сведений о рынке. По данным 2009 г., рынок керамических конденсаторов высокой емкости оценивается экспертами в 6,3 млрд долл. По прогнозам, в 2015 г. этот показатель достигнет 11,4 млрд долл. В качестве основных тенденций на российском рынке выделяют следующие: – стабильный рост — ежегодно он составляет 20—30%; – рынок уверенно развивается, меняется его структура; – неравномерность роста. Опережающий рост наблюдается в тех отраслях, развитие которых стимулируется государством. Например, в энергетике рост в разы превысил средние показатели. В основном, российские игроки рынка конденсаторов сосредоточили свои усилия и ресурсы на работе с теми клиентами и в тех отраслях, которые являются лидирующими в России — энергетика, авиация, космос. — Вы планируете производить суперконденсаторы широкого применения или для каких-то конкретных приложений? — Учитывая специфику рынка (80% продукции производится на заказ), конечно, для конкретных приложений. Но отбрасывать 20% рынка мы не намерены, и конденсаторы широкого применения также входят в наши планы.

РЫНОК

— Производители керамических и электролитических конденсаторов из стран ЮВА за счет низкой цены теснят американские, европейские и японские компании. На рынке суперконденсаторов та же тенденция? — Я бы так не сказал. Рынок суперконденсаторов довольно молодой, они только находят свои ниши и применение, и заказчики этих компонентов не столько обращают внимание на цену изделия, сколько на технические характеристики. Возможно, в будущем тенденция, о которой вы говорите, распространится и на рынок суперконденсаторов, но я надеюсь, что к тому времени Россия будет тес-

WWW.ELCP.RU

нить страны ЮВА низкими ценами и недостижимыми для азиатов техническими характеристиками. Очень важным фактором в ценовой политике суперконденсаторов является материал и метод промышленного производства. Вот тут, как нам кажется, мы преуспели и надеемся, что у нас будут возможности по снижению себестоимости за счет упрощения технологического процесса. Рассчитываю на своих сотрудников, творчество которых не угасает и с каждым месяцем способствует генерации новых технологических идей. — Для того чтобы производство суперконденсаторов было прибыльным, необходимо выпускать их массовой серией и, следовательно, выходить на мировой рынок. Какие конкурентные преимущества Вы видите у своих изделий? — Они дешевле представленных на рынке, меньше по размерам, обладают лучшими техническими характеристиками. Наши технологии производства позволяют не только снизить сроки производства, но и ускорить процесс создания уникальных изделий под конкретные требования заказчиков: стойкость к химическим средам, работа в расширенном рабочем диапазоне температур, особенное расположение контактов и пр. — Суперконденсаторы, разработку которых Вы намечаете, имеют какую-то новизну или планируется производить их по уже опробованным технологиям? — У нашей компании креативный профиль. Мы руководствуемся инновационными подходами к реализации проектов во многих областях техники. Нам неинтересна бесконечная доработка технических решений полувековой давности. Исследование возможностей внедрения самых последних и совершенных технологий, использование новых материалов — вот направление нашей деятельности. Что касается разрабатываемого нами керамического конденсатора сверхвысокой емкости, то абсолютным новшеством для таких компонентов является использование в качестве одной из обкладок материала с высокоразвитой пористой структурой, которая не создается искусственно методами импринтинга, эпитаксии или литографии. В результате себестоимость конечного изделия существенно снижается. Данный материал обладает также рядом уникальных свойств — высокая теплопроводность (порядка 200 Вт/(м∙К)), химическая, термическая и радиационная стабильность, что существенно расширяет сферу использова-

ния изделия в технике. Существенной проблемой многослойных керамических конденсаторов, выпускаемых мировыми лидерами, например Murata, являются акустические шумы, обусловленные различием коэффициента термического расширения диэлектрика и проводящих обкладок. Чем больше емкость такого конденсатора, тем сильнее проявляется этот паразитный эффект. В основе увеличения емкости нашего конденсатора лежит не многослойная структура, а только двухслойная на поверхности пористого материала, поэтому вероятность акустического шума такой системы минимальна. Кроме того, тепловые эффекты, возникающие при работе конденсатора в высокочастотном режиме, уменьшаются благодаря теплоотводу в материал обкладки. Основной технической задачей для нас являлось конформное нанесение диэлектрического и проводящего слоя на материал пористой подложки — идеальным решением явились методы физического осаждения из газовой фазы (PVD) с системой распыления импульсами высокой мощности (HIPIMS) и метод атомно-слоевого осаждения (ALD). Этот метод основан на осаждении веществ на заранее подготовленную поверхность, толщину покрытия которой можно регулировать с точностью до 10 Å (1 нм), а соотношение размеров пористой микроструктуры подложки (аспектное соотношение) может быть любым, что делает данный метод создания двухмерных структур (пленочных покрытий) уникальным. Оба метода являются новыми. Возможности их применения в различных областях техники исследуются до сих пор, но уже сейчас они открывают огромные перспективы в области микроэлектроники, биотехнологии, оптики — всего того, к чему в нынешние времена принято добавлять приставку «нано». В нашей стране оба эти метода широкого распространения не имеют, оборудование зачастую является самодельным и экспериментальным, что в определенной степени усложняет работу. Однако перспектива внедрения подобных технологий и создание промышленного производства на ее основе, безусловно, стоят этих усилий. — Какой смысл Вы вкладываете в понятие «российская электроника»? Кто в сегодняшней электронике «российский производитель»? Дайте, пожалуйста, свое понимание этих терминов. — Я дал бы такое очень патриотичное определение: «российская электроника» — компоненты или конечные продукты, созданные на основе техно-

логий, процессов или изобретений русских ученых, коммерциализированные русскими бизнесменами или российским государством, а также производимые на территории РФ отечественными специалистами. В целом, я не стал бы отделять понятие «российский производитель» от «российской электроники», потому как если не вкладывать в понятие «российский производитель/ создатель» перечисленные критерии, то разницы в том, какой производитель, российский, китайский или какойто другой, просто нет, и нет смысла создавать отдельный термин, обозначающий территориальное местонахождение производства. Вообще говоря, основу этого понятия должна составлять интеллектуальная собственность. Жаль, что не ценим, не используем, не защищаем в полной мере то, без чего понятие «российский производитель» может носить только формальный или территориальный характер. — Как Вы считаете, кризис на руку российским компаниям, работающим на рынке электроники?

— Это довольно сложный вопрос. В плане получения сверхприбылей от внезапно возникшего спроса, конечно, нет. А в плане перспектив, я уверен, что да. Можно сказать, кризис носит отрезвляющий характер — позволяет государству и бизнесменам по-новому, трезво взглянуть на ситуацию в отрасли. Переоценить затраченные усилия и время, проанализировать полученный результат. Электронная промышленность на данный момент — основная движущая сила научного прогресса во всем мире; доля электроники в стоимости бытовых, промышленных, оборонных систем составляет 50—80%, а одно рабочее место в электронной отрасли позволяет создать до четырех в других отраслях. Наиболее значимые на сегодняшний день инновации происходят в области электроники. Я не думаю, что экономический кризис в силах остановить развитие научной мысли или творчество, которое лежит в основе научно-технического прогресса. Соответственно, если компания не стоит на месте, а развивается, изобретает чтото новое, кризис ей не страшен.

Кризис заставляет работать компании эффективнее. В период рецессии компании особо остро нуждаются в инновациях, решениях, способных вывести их на новый уровень развития. Кризис на руку только компаниям, имеющим в своем арсенале инновационные решения. Кризис приведет к значительному повышению эффективности производства и появлению большого числа новых российских разработок. Будет стимулироваться создание малых инновационных компаний. Все эти факторы будут работать на повышение конкурентоспособности и увеличение доли российских компаний на внутреннем рынке. Производителю электронных компонентов, который хочет извлечь максимальную выгоду из рынка в ближайшие годы, помимо прочего, очень важно быть способным к изменениям, уметь быстро вводить новые производственные линии и максимально соответствовать запросам современного рынка. Материал подготовил Леонид Чанов

СОБЫТИЯ РЫНКА | ERICSSON ПОДЕЛИТСЯ СВОИМИ НОУ-ХАУ НА «ЭКСПОЭЛЕКТРОНИКЕ» | Компания Ericsson научит разработчиков новаторским подходам в проектировании современных систем электропитания и расскажет об особенностях концепции Digital Power. В рамках выставки «ЭкспоЭлектроника» в Москве, 21-го апреля, компания Ericsson совместно с компанией «Макро Групп» организуют для разработчиков практический семинар, посвященный цифровым источникам питания. Сегодня уже очевидно, что цифровые источники питания могут обеспечивать огромные преимущества пользователям как в масштабах электронной отрасли, так и за ее пределами. Но если в отдельных областях применения, таких как источники бесперебойного питания, компьютеры или мобильные устройства, цифровые источники питания не являются чемто новым, то в других сферах (например, монтируемые на плате компоненты) внедрение данных технологий еще только начинается. Так, например, цифровые источники питания могли бы пригодиться во многих современных информационнокоммуникационных системах, например, в базовых станциях мобильной радиосвязи, центрах обработки данных, способствуя значительному уменьшению энергопотребления в сетях. Компания Ericsson, чье оборудование используется в 175 странах мира и более чем в 1000 сетях, инвестирующая львиную долю своих доходов в исследования и разработки, по праву может считаться одним из флагманов современных технологий для телекоммуникационных систем. Поэтому с уверенностью можно заявить, что практический семинар для разработчиков обещает быть крайне интересным и познавательным.

Справка Компания Ericsson — ведущий мировой производитель телекоммуникационного оборудования для операторов мобильных и фиксированных сетей связи. В 175 странах мира более 1000 сетей и 40% всех мобильных звонков осуществляются через оборудование Ericsson. Это одна из немногих компаний, которая может предложить полностью готовое решение для всех популярных стандартов связи. Ericsson инвестирует большие средства в R&D. Портфель патентов компании на сегодняшний день составляет более 23000 патентов. Компания «Макро Групп» — один из ведущих российских дистрибьюторов электронных компонентов. Основана в 1994 г. в С.-Петербурге. Представительства расположены в Москве, Ростове-на-Дону, Чебоксарах, Екатеринбурге и Новосибирске. Основными направлениями деятельности «Макро Групп» являются поставки электронных компонентов, в т.ч. военного назначения, на территории России и СНГ, контрактное производство, инжиниринговые проекты. Собственная лаборатория, научно-технический центр, высококвалифицированные специалисты и прямые партнерские соглашения с производителями обеспечивают исключительно высокий уровень технической и информационной поддержки на всех этапах работ. www.russianelectronics.ru

Электронные компоненты №3 2010

11 РЫНОК

Название и место проведения мероприятия в рамках деловой программы выставки: ЦИФРОВЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ Концепция Digital Power от компании Ericsson Дата проведения: 21-го апреля 2010 г. Время: 10.00—12.00 ч Место: Москва, в рамках выставки «ЭкспоЭлектроника», зал для семинаров №2 (на плане павильона №D42) Участие в практическом семинаре бесплатное, по предварительной регистрации на сайте «Макро Групп».

Знакомьтесь — производственный альянс «Контракт Электроника» АЛЕКСАНДР ХАБАРОВ, техн. консультант, медиагруппа «Электроника» По мнению аналитиков агентства iSuppli, в 2010 г. вновь начался рост глобального рынка контрактного производства электроники. Согласно прогнозам экспертов [1], объем прибылей для этого рынка вырастет на 7,8% и достигнет 280,8 млрд долл. (в 2009 г. аналогичный показатель составлял 260,5 млрд долл.). Рост производства ожидается и на нашем рынке, поэтому мы решили рассказать об одной из российских компаний, занимающейся производством электроники.

В процессе производства и разработки изделий электронной техники необходимо пройти несколько этапов, начиная от разработки технического задания и заканчивая организацией серийного производства. В мире электроники относительно немного мощных компаний, способных пройти весь этот путь в одиночку. Гораздо чаще встречаются компании, специализирующиеся на оказании различных производственных услуг. К настоящему моменту на мировом рынке электроники сложилось довольно устойчивое разделение труда и соответствующая классификация компаний-производителей конечных изделий (см. табл. 1). Мировой опыт показывает, что подобная специализация уменьшает расходы и сокращает время выхода изделия на рынок. В настоящей статье мы на примере компании ПА «Контракт Электроника» проиллюстрируем выгоду сотрудничества со специализированными компаниями. Компания оказывает следующие услуги: – комплектное снабжение заказчиков электронными компонентами; – дизайн, редизайн электронных изделий под заказ; – оказание производственных услуг в сфере сборки и монтажа электронных изделий; – оказание производственных услуг в сфере производства корпусных изделий; – логистика. Рассмотрим каждый из этих сервисов. При комплектовании изделия ПА «Контракт Электроника» поставляет активные, пассивные и механические компоненты, оптоэлектронные приборы, компоненты и модули для беспроводных сетей, электронные компоненты для счетчиков энергии, платежных терминалов и торговых автоматов. Отдельно стоит выделить услуги по поставке широкого спектра компонентов для светотехники. Данный сервис для заказчиков позволяет экономить компаниям на структуре собственных отделов закупки, необходимых складских помещениях, закупках комплектующих, дает возможность организации планового производства, наращивая развитие своих ключевых компетенций. При разработке изделия компания может как полностью взять на себя всю разработку от идеи до выпуска конструкторской документации для серийного производства, так и подключиться к работе на любом этапе. Подчеркнем возможности по разработке беспроводных решений по следующим технологиям: – GPS, GSM, GPRS;

– ZigBee; – 433 МГц. Компанией ПА «Контракт Электроника» наработан большой опыт в области разработки полупроводниковых светотехнических изделий. Серийную продукцию компании можно встретить в области ЖКХ, промышленного освещения производственных помещений, сельского хозяйства и бытового применения. Отметим возможности по производству печатных плат. Кроме серийного производства «Контракт Электроника» изготавливает опытные образцы и срочно изготавливает небольшие серии. В зависимости от требований заказчика и объема производства, срок поставки печатных плат может варьироваться от одной (срочное изготовление однослойных и двухсторонних печатных плат отечественного производства) до десяти недель — оптимальное по стоимости решение для больших серий. Компания предоставляет заказчикам производственные услуги по монтажу печатных плат, в т.ч. гибких и алюминиевых плат, а также осуществляет сборку изделий в корпус, изготавливает кабели и шлейфы. По требованию заказчика может быть произведен выборочный или сплошной контроль готовых изделий. Для проведения контроля, если необходимо, может быть изготовлено тестирующее оборудование. Заказчику предлагается большое число готовых корпусов зарубежных и российских компаний-производителей. Могут быть проведены климатические, механические и ресурсные испытания изделия или его отдельных частей на соответствия требованиям документации или ГОСТ. Отметим, что ПА «Контракт Электроника» может изготовить и упаковку для готового изделия либо по чертежам заказчика, либо разработать собственные чертежи. Касательно логистики лишь отметим, что компания оказывает транспортные услуги по всему миру. На сегодняшний день услуги компании ПА «Контракт Электроника» востребованы на любой стадии разработки и производства изделия: от начальной идеи изделия до упаковки и доставки потребителю готовой продукции, что подтверждается многочисленными заказами и постоянно растущим бизнесом. Более подробную информацию о деятельности ПА «Контракт Электроника» можно найти по адресу http://contrel.ru ЛИТЕРАТУРА 1. www.astera.ru.

Таблица 1. Классификация компаний-производителей конечных изделий Англоязычная классификация компании

Англоязычная аббревиатура

Original Equipment Manufacturer

OEM

Contract Electronics Manufacturer

СЕМ

Electronics Manufacturing Services Original Design Manufacturer Research & Design

EMS ODM R&D

Contract Design Manufacturer

CDM

WWW.ELCP.RU

Специализация компании Производители оборудования под собственной торговой маркой. OEM-компании являются заказчиками контрактного производства как производственной услуги и специализируются на разработке и продажах Контрактные производители электроники. Компании, оказывающие отдельные производственные услуги, связанные с производством электронного оборудования — производством печатных плат, монтажом компонентов, изготовлением корпусов, модульной (отверточной) сборкой Компании, оказывающие услуги по серийному производству электронного оборудования Компании, оказывающие услуги по производству разработанных ими изделий под маркой заказчика Компании, которые на заказ выполняют разработку новой продукции и не оказывают производственных услуг EMS-компании, в структуре которых есть R&D-подразделения. CDM-компании предлагают комплексные услуги, включающие все этапы разработки новой продукции и серийного производства

СОБЫТИЯ РЫНКА

| ШАГ В БУДУЩЕЕ: СЕРВЕРНЫЕ ПРОЦЕССОРЫ INTEL XEON СЕРИЙ 5600 И 7500 | 2-го апреля 2010 г. корпорация Intel официально представила в России и других странах СНГ новейшие процессоры для серверов, центров обработки данных, суперкомпьютерных систем и высокопроизводительных станций Intel Xeon серий 5600 и 7500. Мероприятие для прессы, партнеров и заказчиков открыл Дмитрий Конаш, региональный директор Intel в России и других странах СНГ. Он представил собравшимся вице-президента группы архитектур Intel и генерального директора группы центров обработки данных Кирка Скаугена (Kirk Skaugen). Кирк отметил бурный рост аппаратной базы систем распределенных («облачных») вычислений. При 2,5 млрд пользователей число виртуальных серверов превысило 1 млрд. С распространением архитектуры Nehalem в сегменте серверов, центров обработки данных (ЦОД) и высокопроизводительных вычислений происходит быстрый рост популярности новых процессоров. Эту тенденцию докладчик назвал «эффектом Nehalem». Использование новых процессоров Intel Xeon позволяет очень быстро окупить инвестиции в ИТ-инфраструктуру, обеспечивает экономию электроэнергии до 90% по сравнению с предыдущими платформами. В настоящее время 80% рынка серверов (в ед. шт.) принадлежит Intel. О серьезности намерений компании в т.ч. в области развития высокопроизводительных вычислений говорит то, что в 2010 г. Intel вложит в общей сумме 7 млрд долл. в четыре 32-нм завода по производству полупроводников. На встрече была проведена сравнительная демонстрация возможностей процессоров 5560 и 5660, в ходе которой выяснилось, что у новейших устройств производительность на 30% превышает показатели предыдущей серии устройств. Кроме того, сравнивались также процессоры 7450 и 7550. Оказалось, что в случае применения первого из них пропускная способность памяти ниже в три раза, а время отклика в семь раз больше, чем у 7550. У серверов на основе процессоров 7500 имеется аппаратная возможность устранения многобитных ошибок на лету. Зам. гл. инженера компании «Лукойл-информ», число пользователей которой превышает 14 тыс., Денис Нештун отметил эффективность новых Intel Xeon в системах, предназначенных для крупных предприятий. Например, производительность ERP-системы на базе Xeon 7560 превышает этот показатель предыдущей модели системы. Производительность RISC-платформы сопоставима с X86/X64, но их цены различаются в пользу архитектуры Intel. Александр Шестаков, ректор ЮУрГУ, в своем выступлении рассказал о том, что суперкомпьютерный центр на базе университета имеет в настоящее время в своем составе две супер-ЭВМ общей производительностью 40 Тфлопс: «СКИФ-Урал» на процессорах Intel Xeon e5472 и «СКИФ-Аврора» на процессорах Intel Xeon 5570. Основной вектор развития Суперкомпьютерного центра университета — использование высокопроизводительных вычислений для решения индустриальных задач. Василий Шелков, ген. директор компании «Рок Флоу Динамикс» отметил преимущества использования новых процессоров в вычислительных системах моделирования: «Запуск новых 6-ядерных Intel Xeon 5600 и 8-ядерных Intel Xeon 7500 открывает принципиально новый этап для эффективного моделирования гидродинамических процессов фильтрации для месторождений нефти и газа. Использование процессоров 7500 позволило ускорить расчет в 21 раз, что в 3–4 раза превышает показатели, достигнутые на предыдущем поколении четырехпроцессорных серверов». На мероприятии работали стенды таких партнеров Intel как компания Aquarius, представившая два новых продукта на основе процессорных технологий Intel; DEPO Computers (системы DEPO Storm 1300/2300/3300, которые поступят в продажу в мае 2010 г.); ETegro Technologies (серверы ETegro Hyperion G3); компания HP (серверы HP ProLiant); IBM (портфель серверов eX5); INPRO Computers (решения для «облачных» вычислений); «РСК СКИФ» (суперкомпьютерные комплексы с самой высокой плотностью вычислительной мощности в индустрии на стандартных процессорах до 40 Тфлопс в одной стойке); R-Style (высокопроизводительная рабочая станция R-Style Carbon Ai 860; t-Платформы (решения до 100 Тфлопс в стойке); USN Computers (сервер на основе Intel Xeon E5630). Процессор Intel Xeon 5600 производится по технологии 32 нм. В нем используется второе поколение транзисторов с металлическим затвором и подзатворным диэлектриком Hi-K, увеличивающими скорость переключения логики и понижающими энергопотребление. Новые процессоры (по сравнению с Intel Xeon 5500) позволяют заменить 15 одноядерных серверов одной системой со сроком окупаемости 5 мес. Сервер с двумя сокетами, оснащенный Intel Xeon L5640 (60 Вт), способен предоставить такой же уровень производительности, что и система с 95-Вт процессорами 55570 предыдущего поколения, однако энергопотребление при этом на 30% ниже. Процессор Intel Xeon 7500 обладает 4, 6 или 8 вычислительными ядрами и могут одновременно обрабатывать до 8, 12 или 16 потоков данных, соответственно. При этом четырехсокетная платформа обладает 32 ядрами и оперирует 64 потоками, а 8-процессорная платформа — 64 ядрами и 128 потоками. Максимальная тактовая частота процессора этой серии составляет 2,66 ГГц. Благодаря снижению расходов на энергию, охлаждение и программное обеспечение срок окупаемости инвестиций составляет не более года.

www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU

ДИФФЕРЕНЦИРОВАННАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВВФ ПРИ ПРОЕКТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ НАДЁЖНОСТИ ЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ ВАЛЕРИЙ ЖАДНОВ, к.т.н., доц., лауреат премии Правительства РФ, доцент МИЭМ АЛЕКСАНДР ГАРШИН, аспирант МИЭМ ИВАН ЖАДНОВ, директор департамента информационных технологий, ОАО «Авиакомпания Правительства Москвы «Атлант-Союз»

РА З РА Б О Т К А И П Р О Е К Т И Р О В А Н И Е

При создании современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) одной из основных задач является обеспечение (и, по возможности, повышение) её показателей качества, среди которых особую роль играют показатели надёжности, определяющие, в конечном итоге, конкурентоспособность вновь разрабатываемой или модифицируемой аппаратуры. Обеспечение надёжности РЭА отнюдь не тривиальная задача, поэтому номенклатура мероприятий, гарантирующих создание аппаратуры с заданным уровнем надёжности, регламентирована в [1]. В совокупности эти мероприятии составляют технологии надёжностно-ориентированного проектирования, методы которого приведены в [2]. Современные тенденции развития методов и средств надёжностоориентированного проектирования связаны, в первую очередь, с повышением точности и достоверности расчётной оценки надёжности, автоматизацией и интеграцией в инфраструктуру ИПИ (CALS)-технологий. Среди технологий надёжностноориентированного проектирования одно из важных мест занимают методы, направленные на обеспечение надёжности при воздействии внешних воздействующих факторов (ВВФ), т.к. именно их влияние в значительной степени определяет эксплуатационную надёжность аппаратуры. Так, например, в [3] приведена следующая диаграмма распределения отказов аппаратуры стационарных помещений, сооружений (группа 1.1 по классификации [4]) по видам и причинам (см. рис. 1). На первый взгляд, может показаться, что эксплуатационные отказы играют незначительную роль (всего 11,5%), а отказы из-за воздействия ВВФ и того меньше — 5% от общего числа. Однако это не совсем верно, т.к. эти данные

WWW.ELCP.RU

характерны для самых «мягких» условий эксплуатации (уровней ВВФ, близким к «нормальным условиям»). Если принять во внимание, что остальные группы аппаратуры по классификации [4] характеризуются более «жесткими» условиями эксплуатации, а ВВФ являются ускоряющими факторами и для всех остальных видов и причин отказов аппаратуры, то становиться очевидным, что процент отказов бортовой аппаратуры, обусловленных влиянием ВВФ, существенно выше. Исходя из общепринятого положения о том, что надёжность аппаратуры закладывается при проектировании, реализуется при производстве и поддерживается при эксплуатации, очевидно, что особую роль играет проектная оценка надёжности аппаратуры. Т.к. на этапе проектирования экспериментальная статистика отказов, как правило, отсутствует, то на этапе проектирования для оценки надёжности применяют расчётные методы. Расчёты показателей надёжности РЭА в настоящее время проводятся в соответствии с методиками, приведёнными в [5]. Согласно методике «Расчёт показателей безотказности электронного модуля первого уровня (ЭМ1)» [5], интенсивность отказов электрорадиоизделий (ЭРИ) для соответствующих условий эксплуатации определяется по методике справочника «Надежность ЭРИ» [6], или используются экспериментальные данные разработчика. Поскольку на ранних этапах проектирования экспериментальные данные, как правило, отсутствуют, то единственным средством оценки эксплуатационной интенсивности отказов является методика, приведённая в [6]. В соответствии с положениями [7], этот справочник является официальным изданием Министерства обороны и отраслей-разработчиков и изготовителей ЭРИ. Другими словами, любые расчёты интенсивности отказов (λ∋)

электронных компонентов (ЭК) должны проводиться по методике и с использованием данных справочника. Впрочем, приведённая в [6] «Методика» довольно-таки проста и сводится к расчёту λ∋ по соответствующим математическим моделям вида: (1) где: λб — базовая интенсивность отказов ЭК; Ki — i-й коэффициент математической модели; I — число коэффициентов математической модели. Число коэффициентов математической модели и их значения зависят от класса (группы или подгруппы по классификации [6]), к которому принадлежит ЭК. Для учёта влияния внешних воздействующих факторов на λ∋ в модель (1) введен ряд коэффициентов, одним из которых является коэффициент режима Kр. Kр учитывает величину электрической нагрузки и (или) температуры окружающей среды (корпуса) и показывает, во сколько раз интенсивность отказов ЭК выше (ниже) при всех прочих равных условиях, чем при температуре 25°C и номинальной электрической нагрузке. Заметим, несмотря на то что в [6] Kр отнесён к «Общим коэффициентам моделей», в подавляющее большинство моделей эксплуатационной интенсивности отказов ЭК он не входит. Тем не менее, например, для класса «Резисторы», группа «Резисторы постоянные не проволочные», подгруппа «Металлодиэлектрические кроме прецизионных», для коэффициента режима Кр в [6] приведена следующая математическая модель:

(2) где: t — температура окружающей среды (корпуса ЭК); P — мощность в

Рис. 1. Диаграмма распределения отказов аппаратуры стационарных помещений по видам и причинам

(3) где: K — скорость химической реакции; A — частота столкновений реагирующих молекул; EA — энергия активации, Дж; R — универсальная газовая константа, Дж/(°К·моль); T — температура, °К. Это уравнение применяется для описания температурной составляющей деградационного процесса, которое основано на т.н. «активационном комплексе». Понятие активационного

комплекса впервые введено шведским ученым С.А. Аррениусом в статистической теории скоростей химических реакций в растворах. Согласно этой теории, процессу химического взаимодействия предшествуют более быстрые процессы активации и установления статистического равновесия. При этих условиях оказывается справедливым уравнение Аррениуса, описывающее зависимость константы скорости химической реакции Kр от абсолютной температуры: (4) где: Kр(T) — константа скорости химической реакции, отн. ед.; , A — частота столкновений реагирующих молекул;

EA — энергия активации, Дж; k — постоянная Больцмана, Дж/°К; T — температура, °К. Величина exp[–EA/(k·T)] характеризует вероятность того, что частицы имеют энергию, достаточную для вступления в реакцию, или долю активных столкновений при температуре Т; коэффициент А является частотным фактором, означающим общее количество столкновений; постоянная EA определяется для каждого процесса его особенностями. При моделировании процессов отказов в твердых телах, возникающих в результате деградационных процессов, положения теории скоростей химических реакций часто переносятся и на эти процессы. Широкий круг физико-химических процессов, помимо чисто химических реакций, связан

Электронные компоненты №3 2010

17 РА З РА Б О Т К А И П Р О Е К Т И Р О В А Н И Е

режиме применения; Pн — номинальная мощность (по ТУ); A, B, Nt, Ns, H, G — постоянные коэффициенты модели. Как известно, в основу математической модели (2) положен закон Аррениуса:

с изменением концентрации вещества в результате переноса частиц и их взаимодействия (например, диффузия в объеме и на поверхности кристалла и корпуса ЭК, перемещение элементарных точечных и линейных дефектов и др.) и удовлетворяет основным законам этой теории. Аналогия между деградационными процессами в твердых телах и химическими реакциями подсказывает простой способ моделирования температурной зависимости времени до отказа t(TJ) в виде экспоненциальной функции:

(5)

Рис. 2. Зависимость λ/λ0 от температуры окружающей среды

где: t0 — время до отказа, ч; Kр — константа скорости химической реакции, отн. ед.; EA — энергия активации, эВ; k — постоянная Больцмана, эВ/°К; TJ — температура окружающей среды (корпуса), °К. Эта аналогия не формальна и находит практическое подтверждение при анализе реальных деградационных процессов в твердых телах. Однако на практике вместо Kр(TJ) используют отношение Kр(TJ)/Kр(Т0), которое показывает, во сколько раз время до отказа при температуре Т меньше, чем при Т0. При этом за Т0 принимают температуру окружающей среды (корпуса), соответствующую нормальным условиям и равную 25°C. Тогда:

(6)

РА З РА Б О Т К А И П Р О Е К Т И Р О В А Н И Е

где: t0 — время до отказа, ч; Kр — константа скорости химической реакции, отн. ед.; EA — энергия активации, эВ; k — постоянная Больцмана, эВ/°К; T — рабочая температура окружающей среды (корпуса), °К; Т0 — номинальная температура окружающей среды (корпуса), °К. Кроме того, выражение (6) показывает физические источники статистического распределения времени до отказа. В этом случае вид функции распределения времени наработки до отказа F(t) (модели отказа) определяется видом функции (6). Кроме того, из (6) следует, что основой для формирования вида функции распределения случайной величины t(TJ) может являться только энергия активации EA (т.к. k — константа, а t0 и TJ — переменные, т.е. детерминированные (не случайные) величины).

WWW.ELCP.RU

Поэтому, в отличие от (5), в (6) энергия активации является не детерминированной, а случайной величиной. Такая ситуация может возникнуть, например, в процессах, обусловленных диффузией, когда величина энергии активации изменяется от элемента к элементу, в зависимости от вариаций структурных дефектов. Эти положения послужили толчком для развития т.н. «физики отказов», значительный вклад в развитие которой внёс Б.С. Сотсков, а её практические результаты нашли своё отражение в ранних редакциях справочника «Надёжность ЭРИ». В работах Б.С. Сотскова (например, [8]) приведены математические модели эксплуатационной интенсивности отказов ЭК, учитывающие не только температуру окружающей среды (корпуса) но и давления P и влажности В и др. Рассмотрим эти модели на примере резистора. Отказы в работе резистора определяются физико-химическими изменениями в материале, из которого изготовлен резистивный слой или его изолирующая оболочка. Если известна величина интенсивности отказов λ0 при нормальных условиях θ = θ0 и P = P0, то можно найти интенсивность отказов при других значениях θ = θx и P = Px. Нагрев резистора определяется температурой окружающей среды θ0x и перегревом за счёт выделения тепла при прохождении тока: Δθ = RθPx, где: Rθ — тепловое сопротивление °С/Вт; Px — выделяемая в резисторе мощность, Вт. Значение рабочей температуры резистора определяется как: Tx = 273 + θ0x + RθP.

Тогда зависимость отношения λ2/λ1 от температуры θ0x и величины мощности P, рассеиваемой в сопротивлении, может быть представлена в виде: (7) Графики зависимости λ2/λ1 от температуры θ0x для различных Px/P0 приведены на рисунке 2. Изменение давления среды, окружающей резистор, меняет условия теплопередачи. В связи с этим необходимо (для сохранения той же величины интенсивности отказов λ) уменьшить номинальное значение мощности, рассеиваемой резистором. На рисунке 3 представлена зависимость: ,

где: H — высота над уровнем моря. Тогда итоговая зависимость отношения λ2/λ1 от температуры и давления окружающей среды может быть представлена в виде:

(8)

где:

Влажность также существенно влияет на надёжность резистора, находящегося под напряжением. Это проявляется в уменьшении толщины слоя резистивного материала за счет электролиза и других факторов (окисление и т.д.). Результирующее уменьшение слоя резистивного материала в единицу времени равно:

(9)

Рис 3. Зависимость Px/Pн от высоты над уровнем моря

Рис. 4. Зависимость Pt/ Pном номинальной мощности резистора Р1-37 от температуры и давления

, где: αс — коэффициент пропорциональности; k p1 — скорость уменьшения толщины слоя резистивного материала вследствие электролиза; k p2 — скорость уменьшения толщины слоя резистивного материала вследствие других физико-химических процессов. Интенсивность отказов, в свою очередь, равна:

где: h — толщина резистивного слоя; b — ширина проводящего слоя; ρВ — удельное сопротивление; bB — толщина пленки воды. Однако рассмотренные выше модели, как и приведённые в [8], не нашли широкого применения в инженерной практике, т.к. требуют трудоемких экспериментальных исследований для определения значений их коэффициентов. Тем не менее некоторые модели [6] также позволяют учитывать влияние ряда ВВФ на λ∋ . Например, в модели (2) одним из параметров является номинальная мощность резистора Pн. Как было показано выше, Pн не является константой, а зависит от температуры, давления и влажности окружающей среды. Такие зависимости приводятся в ТУ на ЭК. На рисунке 4 в качестве примера приведён график зависимости отношения номинальной мощности Pt к номинальной по ТУ (Pном) от температуры и давления для резистора типа Р1-37. Впрочем, с одной стороны, таких моделей в [6] относительно немного, а с другой стороны, они позволяют учитывать влияние лишь ограниченного числа ВВФ (в основном климатических). В то же время в [4], наряду с климатическими факторами, приведены также механические факторы воздействия специальных сред и др. (см. табл. 1). Для учёта влияния этих факторов в математические модели (1) введен коэффициент эксплуатации K э. K э учитывает степень жесткости условий эксплуатации и показывает, во сколько раз интенсивность отказов ЭРИ в РЭА конкретного класса (группы эксплуатации

Таблица 1. Номенклатура и параметры основных ВВФ

РА З РА Б О Т К А И П Р О Е К Т И Р О В А Н И Е

№ п/п

Вид воздействия

Синусоидальная вибрация

Случайная широкополосная вибрация

Акустический шум

Механический удар одиночного действия

Механический удар многократного действия

Сейсмический удар взрыва

Линейное ускорение

Атмосферное пониженное давление

WWW.ELCP.RU

Параметры воздействия Амплитуда ускорения, g Диапазон частот, Гц Спектральная плотность виброускорения, м/с2 g Диапазон частот, Гц Диапазон частот, Гц Уровень звукового давления, дБ Пиковое ускорение, g Длительность ударного ускорения, mс Пиковое ускорение, g Длительность ударного ускорения, mс Ускорение, g Длительность ударного ускорения, mс Значение ускорения, g При эксплуатации, мм. рт. ст. При авиатранспортировке, мм. рт. ст.

по классификации [4]) выше при всех прочих равных условиях, чем в наземной стационарной РЭА (группа 1.1). Нетрудно заметить, что K э, по сути, представляет собой интегральную оценку степени влияния ВВФ на эксплуатационную надёжность ЭК т.к. значение K э зависит не от номенклатуры и характеристик ВВФ, а только от группы эксплуатации по классификации [4]. Такой подход к учёту влияния ВВФ не вызывал бы особых возражений, если бы не одно обстоятельство: в [4] приведены уровни ВВФ в месте установки аппаратуры, в то время как уровни тех же ВВФ в месте установки ЭК могут отличаться в десятки и сотни раз [9]. Приведённые в [6] методики отчасти позволяют разрешить эту проблему следующим образом: значение K э следует выбирать не для группы эксплуатации аппаратуры, заданной в техническом задании, а предварительно, на основе номенклатуры ВВФ, действующих на ЭК, и их характеристик в месте его установки, и по данным [4] идентифицировать новую группу эксплуатации. И только после этого выбирать значение K э, но уже для этой группы. Такая возможность реализована в системе АСОНИКА-К-СЧ программного комплекса АСОНИКА-К [10] (см. рис. 5). Однако не всегда удаётся подобрать группу эксплуатации, т.к. уровни ВВФ в месте установки ЭК могут не совпадать с диапазонами изменения ВВФ той или иной группы. Кроме того, и в ТЗ на аппаратуру довольно часто встречается требования вида: «Группы эксплуатации аппаратуры ГОСТ РВ 20.39.304-98 — Х.Х, за исключением…», после чего идет перечень тех ВВФ и их характеристик, которые не совпадают с приведёнными в [4]. В этом случае для более полной реализации технологий надёжностноориентированного проектирования целесообразно перейти от интегральной оценки влияния ВВФ к дифференцированной, т.е. идентификацию значений Kэ проводить не по совокупности ВВФ, а по каждому фактору в отдельности. Тогда итоговое значение K э может быть получено на основе следующего соотношения:

(10)

где: ni — процент отказов по i-му виду ВВФ, %; i — номер вида ВВФ (механические воздействия — i = 1; климатические — i = 2); mi,j — процент отказов по j-му типу ВВФ i-того вида, %; j — номер

Рис. 5. Система АСОНИКА-К-СЧ: интерфейс пользователя

Рис. 6. Распределение отказов по видам ВВФ

типа ВВФ (j = 1,Ji); Ji — количество типов ВВФ i-того вида; ,

РА З РА Б О Т К А И П Р О Е К Т И Р О В А Н И Е

при условии, что величина zi,jраб. принадлежит области Zi,jk, zi,jраб. — рабочее (расчетное) значение j-го ВВФ i-го вида, воздействующего на данный ЭК; Zi,jk — область изменения j-го ВВФ i-го вида, действующего в месте установки РЭА (заданная для k-й группы в [4]). Значения n i и m i,j можно получить по результатам испытаний и подконтрольной эксплуатации на предприятиях-разработчиках РЭА. Так, на рисунке 6 в качестве примера показано распределение эксплуатационных отказов РЭА по видам ВВФ, приведённое в [11]. Очевидно, что применение модели (10) в инженерной практике приведёт к существенному повышению трудоемкости расчётов надёжности ЭК, не говоря уже об аппаратуре в целом. Поэтому естественным выходом в данной ситуации является создание программных средств, реализующих методы [5, 6], дополненные моделью (10). Основой для создания такого программного обеспечения послужила система АСОНИКА-К-СЧ.

WWW.ELCP.RU

Для реализации метода расчёта K э справочная часть её базы данных (БД) была дополнена специализированной БД, в которой содержится номенклатура и характеристики ВВФ из [4], а также проценты отказов по видам ВВФ. Для снижения объёма исходной информации и при этом уменьшения числа возможных ошибок при вводе данных был разработан преобразователь выходных файлов подсистемы АСОНИКА-ТМ. Конвертор позволяет загружать данные (тепловые и механические режимы работы ЭК) из выходных файлов подсистемы АСОНИКА-ТМ в проекты системы АСОНИКА-К-СЧ для реализации одного из важнейших принципов ИПИ(CALS)технологий — электронного обмена данными. Кроме того, дифференцированная оценка влияния ВВФ позволяет уже в ходе проведения расчёта выявить факторы, наиболее сильно влияющие на значение K э, а, следовательно, предложить рекомендации, направленные на повышение надёжности, что является одной из основных операций технологий надёжностно-ориентированного проектирования. Однако для большей обоснованности таких рекомендаций одних только характеристик надёжности ЭК, необ-

ходимых для расчётов λ∋ , оказалось недостаточно. Поэтому в справочную часть базы данных (СЧБД) был добавлен ряд таблиц, содержащих изображения ЭК, значения его геометрических характеристик и др. Изменение СЧБД потребовало создания новой версии модуля администрирования, который позволяет не только редактировать (добавлять, изменять, удалять) данные в ней, но и просматривать её содержимое, т.е., по сути, СЧБД превратилась в информационно-справочную систему. Задавая критерии поиска ЭК (класс или типономинал), пользователь может получить их изображение и параметры. Возможен и расширенный поиск ЭК как по параметрам, так и по типу корпуса. Для непосредственного расчёта K э по модели (10) был создан модуль расчёта коэффициента эксплуатации. Модуль предназначен для работы с проектами, созданными в системе АСОНИКА-К-СЧ, и позволяет ввести рабочие значения ВВФ (zi,jраб) и процент отказов по j-му типу ВВФ i-го вида (mi,j) на каждый ЭК. Возможен как «ручной» ввод рабочих значений ВВФ (zi,jраб), так и автоматический путем преобразования выходных файлов подсистемы АСОНИКА-ТМ. После ввода данных проводится расчёт. Основными операциями алгоритма расчёта являются: – для каждого ВВФ ищется группа аппаратуры со значениями воздействий, большими или равными рабочим (zi,jраб); – для найденных групп аппаратуры определяются значения коэффициентов эксплуатации K э; – если для одного и того же ВВФ найдено несколько K э, из них выбирается наименьший; – рассчитывается значение K э ЭК по модели (10); – на основании новых значений K э пересчитываются значения интенсивности отказов ЭК для режимов эксплуатации и хранения; – на основании новых значений интенсивностей отказов ЭК пересчитываются значения показателей надёжности аппаратуры. Интерфейс пользователя модуля расчёта коэффициента эксплуатации приведён на рисунке 7. Кроме того, модуль позволяет провести графический анализ влияния каждого ВВФ на показатели надёжности ЭК. И, наконец, данные, используемые при дифференцированной оценке влияния ВВФ, и данные, содержащиеся в Информационно-справочной системе, позволяют автоматизировать формирование карт режимов работы (КРР) [12]. В методике [5] КРР отнесены к исходным данным, необходимым для расчёта надёжности ЭМ1, т.е. перед проведением расчёта комплект КРР

Рис. 7. Модуль расчёта коэффициента эксплуатации: интерфейс пользователя

ЭК, которые позволяют научно обосновать необходимость проведения тех или иных мероприятий, направленных на обеспечение (повышение) надёжности, несомненно, является одним из перспективных направлений дальнейшего совершенствования технологий надёжностно-ориентированного проектирования аппаратуры. ЛИТЕРАТУРА 1. ГОСТ РВ 20.39.302-98. КСОТТ. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Требования к программам обеспечения надёжности. 2. РДВ 319.01.10-98. КСОТТ. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Методы надёжностноориентированного проектирования и изготовления РЭА. 3. В.В. Гольдин Информационная поддержка жизненного цикла электронных средств/В.В. Гольдин, В.Г. Журавский, А.В. Сарафанов и др. — М.: Радио и связь, 2002. — 386 с. 4. ГОСТ РВ 20.39.304-98. КСОТТ. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Требования стойкости к внешним воздействующим факторам. 5. ОСТ 4Г 0.012. 242-84. Аппаратура радиоэлек тронная. Методика расчёта показателей надёжности. 6. Н а д е ж н о с т ь ЭРИ: Справочник./ 22 ЦНИИИ МО РФ. — М.: МО РФ, 2006. — 641 с. 7. РДВ 319.01.20-98. Положение о справочнике «Надёжность электрорадиоизделий».

8. Б.С. Сотсков. Основы теории и расчёта надёжности элементов и устройств автоматики и вычислительной техники. / Б.С. Сотсков. — М.: Высшая школа, 1970. — 270 с. 9. А.С. Шалумов. Автоматизированная система АСОНИКА для проектирования высоконадёжных радиоэлектронных средств на принципах CALS-технологий: Том 1. / А.С. Шалумов, Ю.Н. Кофанов, В.В. Жаднов и др.//Под ред. Ю.Н. Кофанова, Н.В. Малютина, А.С. Шалумова. — М.: Энергоатомиздат, 2007. — 538 с. 10. А. Строганов. Обзор программных комплексов по расчёту надёжности сложных технических систем. / А. Строганов, В. Жаднов, С. Полесский. // «Компоненты и технологии», № 5 (70), 2007. — с. 74—81. 11. Писарев, В. Система испытаний — основа обеспечения надёжнос ти./В. Писарев, М. Критенко, В. Постнов.//«Электроника: НТБ», № 5, 2002. — с. 32—35. 12. РДВ 319.01.09-98. КСОТТ. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Руководство по оценке правильности применения ЭРИ в РЭА. 13. MIL-HDBK-217F. Reliability prediction of electronic equipment.

Электронные компоненты №3 2010

23 РА З РА Б О Т К А И П Р О Е К Т И Р О В А Н И Е

должен быть полностью оформлен. Однако это, на наш взгляд, абсолютно неверно, т.к. противоречит основным принципам технологий надёжностоориентированного проектирования и ИПИ (CALS)-технологий. Во-первых, исходными данными является не комплект КРР (документация, содержащая константы), а данные, характеризующие режимы работы ЭК (переменные проектирования). Во-вторых, наличие оформленного комплекта КРР на практике приводит лишь к тому, что значительная часть мероприятий, направленных на обеспечение (или повышение) надёжности, и так или иначе связанных с изменением режимов работы ЭК, не может быть реализована из-за необходимости повторного оформления документации (комплекта КРР). Поэтому формирование КРР (выпуск документации) должно проводиться не до, а после проведения расчётов и подтверждения установленных требований по надёжности на аппаратуру. Модуль формирования карт режимов работы позволяет сформировать комплект КРР в соответствии с требованиями [12]. Если ЭК был импортирован из ПЧБД (или АЧБД) системы АСОНИКАК-СЧ, то кроме значений параметров по ТУ, в карты автоматически вносятся и значения рабочих режимов, введённые при расчёте показателей надежности в системе АСОНИКА-К-СЧ. Если значения рабочих режимов ЭК больше значений по ТУ, то они выделяются красным цветом. Сформированные карты рабочих режимов сохраняются в формате .doc редактора MS Word. В заключение следует отметить, что использование модели (10) позволяет проводить расчёты аппаратуры, содержащей ЭК не только отечественного, но и иностранного производства, несмотря на то, что ни классификация аппаратуры, ни численные значения ВВФ в [6] и зарубежных справочниках (см., например, [13]) не совпадают, т.к. в этом случае значение K э(πE) определяется не по вектору ВВФ, действующему на аппаратуру, а по вектору ВВФ, действующему непосредственно на ЭК. Использование дифференцированной оценки влияния ВВФ в расчётах эксплуатационной интенсивности отказов ЭК в итоге даёт значительно меньшую погрешность, чем в случае, когда используется общепринятое допущение о том, что в аппаратуре данной группы для всех ЭК одного типономинала K э ≈ const (значения рабочих значений ВВФ в месте установки ЭК принимаются равными значениям ВВФ в месте установки аппаратуры). Кроме того, расширение возможностей в части детального анализа влияния каждого ВВФ на надёжность

Модульная микроконтроллерная система с разделением функций управления и отображения информации ВЛАДИМИР БРОДИН, «Терраэлектроника» В статье представлена микроконтроллерная система на основе модулей TE-ULCD35 и TE-STM32F107 компании «Терраэлектроника». Дисплейный модуль TE-ULCD35 имеет встроенную библиотеку графических функций. Модуль управления TE-STM32F107 на основе 32-разрядного микроконтроллера с ядром Cortex-M3 включает порты Ethernet, USB OTG, CAN и RS232. Тандем модулей позволяет достичь высокой скорости обработки событий и, одновременно, реализовать современный и дружественный графический интерфейс. Модули «Терраэлектроники» представляют собой завершенные решения, которые могут быть использованы как при макетировании, так и для установки в серийные изделия.

Рис. 1. Структурная схема микроконтроллерной системы с разделением функций отображения и управления

Рис. 2. Микроконтроллерная система на основе TE-ULCD35 и TE-STM32F107

Рис. 3. Интерфейсы системы на основе тандема TE-ULCD35 и TE-STM32F107

WWW.ELCP.RU

Разработка систем на основе 32-разрядных микроконтроллеров (МК), имеющих встроенный контроллер цветного графического дисплея, в ряде случаев позволяет получить весьма эффективные решения. Однако использование единственного в системе МК и для целей управления и для обслуживания дисплея часто ограничивает скорость выполнения обоих процессов. Для создания развитого интерфейса пользователя требуется разработать библиотеку графики. Обеспечить быструю обработку событий в МК-системе с развитым и дружественным интерфейсом оператора можно посредством структуры на основе двух или нескольких МК, каждый из которых специализируется на выполнении одной или нескольких функций. Связи между МК могут быть организованы через последовательные скоростные интерфейсы. При таком подходе отображение на цветном графическом дисплее может формировать специализированный 32-разрядный МК, а управление системой выполнять другой микроконтроллер, в т.ч. 16- или 8-разрядный (см. рис. 1). Компания «Терраэлектроника» разработала модули TE-ULCD35 и TE-STM32F107, которые позволяют реализовать 32-разрядную микроконтроллерную систему с разделением функций управления и отображения информации. На рисунке 2 показан внешний вид микроконтроллерной системы на основе модулей TE-ULCD35 и TE-STM32F107, а на рисунке 3 — набор интерфейсов этого тандема. Модуль TE-ULCD35 разработан компанией «Терраэлектроника» на основе цветного графического дисплея с диагональю 3,5 дюйма и 32-разрядного МК LPC2478, старшей модели семейства ARM7 компании NXP. В память программ МК на этапе изготовления загружается библиотека графических функций. Из прикладной программы функции могут быть вызваны при помощи SPIкоманд. Это значительно упрощает формирование изображения на TFT-дисплее, а также обслуживание сенсорного экрана. Имеется возможность обновления загруженной библиотеки. Для хранения графических объектов пользователя предназначена карта microSD. Модуль TE-ULCD35 включает в свой состав: – дисплей с диагональю 3,5 дюйма, разрешением 320×240 точек и сенсорным экраном;

– микроконтроллер LPC2478: 16/32-разрядное ARM7TDMI-S ядро, 72 МГц, флэш-память программ объемом 512 Кбайт, SRAM емкостью 98 Кбайт, контроллер LCD; – внешнюю NOR флэш-память объемом 4 Мбайт и SDRAM объемом 8 Мбайт; – слот карты microSD; – разъем порта SPI; – разъем питания 5 В; – посадочное место отладочного разъема JTAG; – посадочное место клеммного разъема питания 5 В. Для разработчика дисплейный модуль представляется в виде программно-логической модели, которая включает список программно доступных регистров и набор SPI-ко-манд. Отлаживать программное обеспечение дисплейного модуля можно с использованием скриптов, записанных на SD-карту графического микроконтроллера. Примеры создания графических изображений на дисплее, переключения их при нажатии на изображения клавиш через сенсорный экран приведены в приложениях к документу «Руководство программиста». В информационно-управляющей системе с разделением функций управления и отображения графической информации SPI-команды на дисплейный модуль подает управляющий микроконтроллер (см. рис. 1). Модуль TE-STM32F107 разработан в компании «Терраэлектроника» на основе 32-разрядного МК STM32F107 компании STMicroelectronics. Этот микроконтроллер имеет ядро Cortex-M3, порт Ethernet, порт USB OTG и два порта CAN. Конструктивные и схемные решения модуля TE-STM32F107 позволяют использовать его для управления модулем TE-ULCD35 при создании системы с разделением функций. Отличительные особенности модуля TE-STM32F107: – микроконтроллер STM32F107VCT6: 72 МГц Cortex-M3, 256 Кбайт флэш-памяти программ, 64 Кбайт ОЗУ, два

12-разрядных АЦП (16 внешних каналов), два 12-разрядных ЦАП, Ethernet MAC 10/100, USB OTG, 2xCAN, 5хUSART, 3хSPI, I2C, корпус LQFP100; – SPI флэш-память AT45DB161D (16 Мбит); – разъем и драйвер порта Ethernet; – разъем порта USB OTG; – 2 разъема и драйверы портов CAN; – 2 разъема портов RS232; – разъем JTAG; – аудиоусилитель и динамик; – 31 линия портов микроконтроллера выведена на разъем; – разъем питания 7,5…9,0 В; – размеры платы модуля 85×70 мм. Для подключения к дисплейному модулю TE-ULCD35 на плате TE-STM32F107 имеются посадочные места двух разъемов. Через один из них подается питание, а второй служит для организации SPI-интерфейса. Для фиксации дисплейного модуля в корпусе или на лицевой панели пульта управления предусмотрены четыре отверстия на подложке дисплея. При объединении модулей TE-STM32F107 устанавливается на стойках дисплейного модуля. При этом питание передается с управляющего модуля через разъем на дисплейный модуль. Тандем модулей «Терраэлектроники» TE-ULCD35 и TE-STM32F107 представляет собой завершенное решение, готовое для интеграции в научные, промышленные, торговые и бытовые изделия, которые для управления требуют формирования цветных графических изображений и интерактивной связи с оператором.

Более полную информацию можно получить по адресу www.terraelectronica.ru

НОВОСТИ СВЕТОТЕХНИКИ

| ВСЕ СИЛЫ — НА СТАНДАРТИЗАЦИЮ СВЕТОДИОДНЫХ СИСТЕМ ОСВЕЩЕНИЯ | Глобальная стандартизация светодиодных систем освещения привлекает всеобщее внимание. Группа крупных игроков на рынке обычных систем освещения из Европы, США и Японии сформировала отраслевой альянс — консорциум Zhaga — для того, чтобы способствовать разработке и продвижению стандартов на светодиодные системы освещения в мировом масштабе. Членами консорциума Zhaga являются следующие комапнии: Philips Lighting B.V. (Голландия), OSRAM GmbH (Германия), Panasonic (Япония), Toshiba (Япония), General Electric (США), Samsung (Южная Корея) и LG (Южная Корея). Согласно планам этих компаний, консорциум Zhaga намерен стандартизировать светодиодные подсистемы (включающие светодиодные модули, микросхемы драйверов светодиодов, линзы и другие оптические компоненты), используемые в светодиодных светильниках и содействовать разработке международных стандартов для представления их в различные организации, подобные Международной электротехнической комиссии (International Electrotechnical Commission — IEC). Ожидается, что все больше светодиодных подсистем будут запускаться в производство после стандартизации светотехнических продуктов на базе светодиодов, облегчая компаниям процесс выбора и закупки компонентов систем освещения. Исключение необходимости специальной разработки светодиодных подсистем снижает затраты на производство системы освещения, что, в свою очередь, снижает входной барьер для производителей, которые намерены вложить средства в производство этих систем. Одной из ключевых целей консорциума Zhaga является продвижение стандартизированных светодиодных продуктов. Особое внимание уделяется светодиодным лампам высокой мощности со световым выходом более 1000 лм для промышленного и внешнего освещения. Консорциум Zhaga планирует стандартизировать интерфейсы светодиодных подсистем, которые включают механические интерфейсы, в т.ч. разъемы, термоинтерфейсы для отвода тепла, электрические интерфейсы для источников питания, экранирования, заземления и управления, а также фотометрические интерфейсы для контроля световых пучков, цвета свечения и интенсивности оптического излучения. Тем не менее консорциум Zhaga не устанавливает стандарты на эксплуатационные показатели, такие как срок службы и качество освещения, поскольку требования на характеристики систем освещения меняются в зависимости от страны и региона, а ключевыми показателями, по которым различают продукты производителей светотехнических устройств, являются срок службы и качество освещения. www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU

Особенности нанесения фоторезиста при производстве МЭМС-устройств АЛЕКСАНДР СИДОРОВ, micro@ostec-smt.ru

Технология производства микроэлектромеханических систем (МЭМС) — одна из наиболее передовых технологий, позволяющая не только значительно улучшать характеристики электронной аппаратуры, но и создавать устройства для решения задач в совершенно новых областях. МЭМС-устройства представляют собой электронные схемы, механические узлы и чувствительные элементы, выполненные в виде одного компонента с использованием технологических приемов для производства микросхем. Технология МЭМС позволяет дополнять традиционную электронную схему датчиками и исполнительными механизмами. Основной конструктивной особенностью МЭМСустройств являются развитые трехмерные поверхности. Эта особенность накладывает свой отпечаток на технологический процесс производства МЭМС, особенно на этапе литографии. Так, при типовом процесса нанесения фоторезиста — центрифугирования, возникают сложности, связанные с образованием «лучей» и непокрытых фоторезистом участков подложки, вызванные высокой топологией подложки. Избежать этих проблем возможно только при медленном вращении подложки, что делает невозможным сам процесс центрифугирования. Для решения задач, связанных с нанесением фоторезиста на подложки с развитыми трехмерными структурами, фирма EV Group предлагает использовать другой метод нанесения фоторезиста — нанесение фоторезиста распылением. В основе процесса нанесения фоторезиста распылением лежит применение специального ультразвукового сопла, создающего направленную струю фоторезиста из микроскопических капель, размер которых составляет около 20 мкм. Перемещение этого сопла над поверхностью подложки в сочетании с ее медленным вращением создает на всей поверхности равномерный слой фоторезиста. На различные поверхности — кремний, оксид кремния, арсенид галлия, стеклянные подложки, металлы — распылением можно наносить как фоторезист, так и другие жидкости. Для создания в сопле направленной струи вязкость фоторезиста должна быть менее 20 сСт, что обеспечивается добавлением в фоторезист растворителя, который химически не взаимодействует с материалом фоторезиста. Одной из основных особенностей самого процесса нанесения фоторезиста распылением является сложный профиль скорости перемещения распыляющего сопла над поверхностью подложки (см. рис. 1). Эта особенность вызвана тем, что на разном удалении от центра подложки необходимо покрыть различную ее площадь (чем дальше от края, тем больше площадь), поэтому время распыления над центром подложки должно быть меньше, чем при распылении на краю. Этого можно добиться увеличением скорости перемещения сопла при его движении над центром подложки. Типовым профилем скорости перемещения сопла над поверхностью подложки является профиль, показанный на рисунке 2.

Толщина и равномерность нанесенного слоя фоторезиста зависят от ряда параметров: – вязкость фоторезиста; – скорость распыления фоторезиста; – профиль скорости перемещения сопла; – скорость вращения подложки. Правильно используя перечисленные выше параметры, можно добиться равномерного нанесения слоя фоторезиста на поверхность подложки. В таблице 1 приведены результаты измерения толщины слоя фоторезиста, нанесенного на шесть кремниевых подложек диаметром 150 мм с одними и теми же параметрами процесса. При этом применяли следующий раствор фоторезиста: AZ 6612 (1 часть) + MEK (1,5 части) + PGMEA (0,5 части), а сам процесс нанесения проводили на установке EVG 101, разработанной специально для нанесения фоторезиста в условиях мелкосерийного и опытного производств (см. рис. 3).

Рис. 1. Схема процесса нанесения фоторезиста распылением

Рис. 2. Типовой профиль скорости перемещения распыляющего сопла

Электронные компоненты №3 2010

Рис. 3. Установка нанесения фоторезиста распылением EVG 101

Рис. 4. Типовой профиль структуры после анизотропного травления

а)

б)

Рис. 5. Изображение фоторезиста на подложке с высокой топологией (вблизи угла топологии) в зависимости от метода нанесения: а – центрифугирование; б – распыление Таблица 1. Результаты измерения неравномерности слоя фоторезиста Точка измерения

1 2 3 4 5 6 7 8 9 Среднее, мкм Разброс, мкм Неравномерность, %

1 2,50 2,49 2,43 2,49 2,48 2,41 2,47 2,47 2,46 2,47 0,09 1,81

Толщина слоя фоторезиста, мкм Номер подложки в партии 2 3 4 5 2,56 2,56 2,39 2,63 2,56 2,57 2,46 2,60 2,57 2,58 2,51 2,57 2,54 2,59 2,58 2,53 2,50 2,49 2,59 2,53 2,50 2,43 2,51 2,59 2,47 2,42 2,47 2,61 2,47 2,52 2,54 2,50 2,48 2,52 2,52 2,56 2,52 2,52 2,51 2,57 0,10 0,16 0,19 0,12 2,06 3,16 3,81 2,39

6 2,42 2,62 2,61 2,61 2,61 2,46 2,43 2,43 2,60 2,53 0,20 3,95

Среднее значение в партии

2,52 0,14 2,86

В отличие от технологического процесса производства интегральных микросхем с низкими структурами (высота топологии существенно меньше толщины слоя фоторезиста), при производстве МЭМС-устройств необходимо наносить фоторезист на подложки с высокими структурами. При этом необходимо покрыть: – равномерным слоем фоторезиста всю поверхность подложки; – только контуры топологии подложки, без заполнения полостей фоторезистом. При решении этих двух задач возникают определенные проблемы. Например, анизотропно вытравленная полость — это типовой пример топологии МЭМС. При травлении кремния в плоскости <111> угол травления составляет 54,7° (см. рис. 4), и образуется V-образная полость. Таких полостей на поверхности подложки может быть большое количество, поэтому при нанесении фоторезиста центрифугированием неизбежно будут образовываться «лужицы», а на углах топологии возникнут проблемы (см. рис. 5а), вызванные поверхностным натяжением фоторезиста. Его толщина в одних местах подложки будет больше, а в других — меньше (неравномерность нанесения). При нанесении фоторезиста распылением эти проблемы не возникают (см. рис. 5б), т.к. скорость вращения подложки во время процесса очень низкая, а равномерность слоя фоторезиста не зависит от наличия сквозных отверстий на подложке. Кроме того, нет необходимости в использовании вакуумных держателей подложек, применяемых на установках нанесения фоторезиста центрифугированием. При решении первой задачи неравномерность слоя фоторезиста при процессе центрифугирования может составлять до 50%, а при решении второй — центрифугирование неприменимо вовсе. С помощью процесса распыления можно получать слой фоторезиста с неравномерностью менее 10% и покрывать фоторезистом боковые поверхности топологий, что позволяет проводить обработку различных поверхностей (см. рис. 6). Примером структуры, для изготовления которой необходимо решать обе задачи, является твердотельная индуктивность (см. рис. 7). Необходимо отметить, что при нанесении фоторезиста центрифугированием на подложке остается менее 10% фоторезиста, а при его нанесении распылением — более 70%. Следовательно, используя процесс распыления, можно добиться существенной (в семь и более раз) экономии материала, что особенно важно при нанесении на подложки дорогостоящих материалов. Одним из таких дорогостоящих материалов является бензоциклобутан (BCB), производимый компанией Dow Corporation под названием циклотан (Cyclotane). Этот материал стал стандартным при производстве многокристальных модулей, где BCB применяется в качестве вещества для создания межуровневого изолятора. В компании EV Group проведена оценка стоимости одной операции нанесения слоя BCB толщиной 4 мкм на подложку диа-

Таблица 2. Оценка стоимости нанесения слоя BCB толщиной 4 мкм Этап процесса

Используемое вещество

Цена за мл, долл.

Активатор

AP3000 BCB4024-40 BCB4026-46

0,05375 1,60000 1,60000

—

0,02939

BCB Растворитель для распыления Краевой валик

WWW.ELCP.RU

Т1100

0,05046 Стоимость процесса на одной подложке

Мл на подложку Центрифугирование Распыление 3,0 3,0 1,4 – — 0,4

Цена за подложку, долл. Центрифугирование Распыление 0,16125 0,16125 2,24000 — — 0,64000

—

3,2

—

0,09405

15,0

—

0,75690 2,9969

— 0,7340

а)

б)

в)

Рис. 6. Примеры обработки различных поверхностей топологии: а — травление большой поверхности подложки; б — травление полостей на нижней плоскости полости; в — травление полостей на боковых поверхностях топологии

метром 200 мм (см. табл. 2). Из таблицы видно, что при использовании процесса распыления вместо центрифугирования достигается существенная экономия. Еще одним способом снижения расхода материала является использование системы подачи резиста из шприца-дозатора. В такой конфигурации существенно уменьшается «паразитный объем», представляющий собой объем системы подачи фоторезиста. Так, при использовании шприца-дозатора этот объем составляет около 1 миллилитра, а низкий расход материала при распылении позволяет избежать частых смен шприца с наносимым материалом. Процесс распыления позволяет решать не только задачи по нанесению, типичные для производства интегральных микросхем, но и ряд задач, не решаемых при использовании центрифугирования. Все это, в сочетании с экономией материала, делает процесс нанесения фоторе-

Рис. 7. Твердотельная индуктивность

зиста распылением более универсальным и удобным как в условиях мелкосерийного и опытного производств интегральных микросхем и МЭМС-устройств, так и в условиях их массового производства.

СОБЫТИЯ РЫНКА | ТРАНСПОРТНЫЕ ПРЕДПРИЯТИЯ ОБРАТЯТ ВНИМАНИЕ НА ЕДИНОЕ СИСТЕМНОЕ ВРЕМЯ | 5-го апреля 2010 г. в Москве, в рамках конференции «Информационные технологии на пассажирском транспорте», прошел уникальный круглый стол по теме «Решение проблемы единого времени для электронных систем на транспорте». В настоящее время на предприятиях городского транспорта не всегда уделяется должное внимание вопросу единого системного времени. Результатом этого может быть несогласованность управляющих воздействий, что приводит к отсутствию достоверного документирования событий, внештатным и аварийным ситуациям. Организация синхронизации единого точного времени в телекоммуникационных сетях, системах управления разного назначения, сетевой безопасности и компьютерных системах на транспорте должно способствовать совершенствованию методов эксплуатации цифрового оборудования и метрологического обеспечения. На мероприятии были рассмотрены требования к системе точного времени метрополитена как к комплексу технических средств, обеспечивающих периодическую передачу цифровой информации о значении текущего времени от эталонного источника ко всем сетевым элементам с целью синхронизации их внутренних часов. Потребителем сигналов единого точного времени являются: вычислительные комплексы и компьютерные серверы (системы управления и мониторинга сетевым оборудованием); оборудование транспортных сетей SDH, ATM, IP и сетей коммутации; серверы баз данных; оборудование передачи данных и пакетной коммутации (маршрутизаторы, коммутаторы) и т.д. Круглый стол провели специалисты Международной ассоциации «Метро» при участии НИИВК, РИРВ и других организаций. www.e-transport.ru

НОВОСТИ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ | РЫНОК ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ВЫРАСТЕТ ДО 277 МЛРД ДОЛЛ. К 2020 Г. | Согласно новому исследованию компании Lux Research, рынок энергосберегающих технологий «зеленого» строительства вырастет с сегодняшних 144 млрд долл. до 277 млрд долл. в 2020 г., демонстрируя ежегодный рост на уровне 6,1%. Компания Lux Research проанализировала возможную прибыль и потенциал роста технологий на данном рынке. Компания определила «технологии зеленого строительства» как любые услуги, оборудование или материалы, которые улучшают энергоэффективность или снижают потребление материалов в зданиях сверх того, что было достигнуто при первоначальном строительстве. Исследование энергосберегающих экологичных технологий строительства дало следующие результаты. – Рынок энергосберегающего оборудования вырастет до 146 млрд долл. к 2015 г. Данный сегмент рынка составлял 67 млрд долл. в 2009 г., но существенный рост производства светодиодов, интеллектуальных систем освещения и усовершенствованных приборов теплотехники обеспечит совокупные темпы годового роста на уровне 7,3% до 2015 г. – Сегмент услуг продемонстрирует наиболее устойчивый рост. Широкое распространение перспективных технологий, подобных регулированию спроса, позволит увеличить прибыль этого сегмента до 55 млрд долл. к 2020 г., отражая совокупные темпы годового роста на уровне 12%. – Материалы — это наиболее медленно растущий сегмент данного рынка. В этом сегменте перспективные технологии включают электрохромные, термохромные и термоотражающие окна, которые контролируют количество солнечного света, пропускаемого окном. www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU

РАЗРАБОТКА АНАЛОГОВЫХ ВЧ-ФИЛЬТРОВ БЕЗ КОНДЕНСАТОРОВ В СИГНАЛЬНОМ ТРАКТЕ. Часть 2 МАРК ФОРТУНАТО (MARK FORTUNATO), менеджер по применению аналоговых приложений, Texas Instruments

В Части 1 этой статьи (см. ЭК2) рассматривался вопрос о том, как с помощью известного метода следящей обратной связи удалить смещение постоянной составляющей в усилителе постоянного тока. В Части 2 рассматривается практический пример реализации метода следящей обратной связи, производится доработка базовой архитектуры и обобщается ее использование в ВЧ-фильтрах более высокого порядка.

На рисунке 1 представлена схема цепи с электретным (конденсаторным) микрофоном, для наглядности смоделированным как идеальный источник тока. Электретный микрофон с помощью резистора «подтягивается» до определенного уровня постоянного напряжения. В результате собственное напряжение смещения определяется нагружающим резистором и током, протекающим через микрофон. Как правило, с таким микрофоном устанавливается конденсатор для связи по переменному току. При необходимости подать сигнал от микрофона на АЦП следует установить напряжение смещения микрофона. Большинство стандартных АЦП в настоящее время являются униполярными устройствами, и потому любой биполярный сигнал нуждается в определенном сдвиге постоянной составляющей. Данная схема обеспечивает требуемое смещение 1,25 В для АЦП со шкалой 0…2,5 В. Высокий входной импеданс неинвертирующего операционного усилителя (ОУ) предотвращает микрофон от перегрузки по току. При моделировании переходного процесса в этой цепи из рисунка 2 (слева) видно, что Vin имеет смещение величиной 4 В, тогда как Vout — 1,25 В. График справа демонстрирует АЧХ ВЧ-фильтра второго порядка. Из этого графика видно, что цепь обеспечивает коэффициент передачи 6 дБ. Предположим, что требуется другое значение — 10 дБ. Этот усилительный каскад можно изменить по своему усмотрению, затем пересчитать значения компонентов для цепи обратной связи, чтобы положение полюсов осталось неизменным. На рисунке 3 показана модифицированная цепь для

заданного коэффициента передачи. На рисунке 4 иллюстрируется переходный процесс и АЧХ. Для учета изменения величины коэффициента передачи (соотношение R5/R4) необходимо добиться того, чтобы положение полюсов осталось неизменным. Это достигается за счет деления каждого значения R6 и R3 на изменив. шееся соотношение ВЫБОР И ПОДСТРОЙКА КОНДЕНСАТОРА

У многих типов конденсаторов коэффициенты зависимости емкости от

напряжения не удовлетворяют требованиям приложения. Эти конденсаторы вызывают значительное искажение сигналов на частоте спада ВЧ-фильтра или вблизи нее. Керамические NPOконденсаторы, а также слюдяные и многие типы металлопленочных конденсаторов, как правило, позволяют решить эту проблему. Однако эти компоненты экономически не выгодны при больших значениях емкости. Если требуемое значение емкости превышает желаемое, можно увеличить сопротивление. Другое решение этой задачи состоит в снижении петлевого усиления

Рис. 1. Установка смещения электретного микрофона

Рис. 2. Переходный процесс и АЧХ цепи электретного микрофона

Электронные компоненты №3 2010

А Н А Л О ГО В Ы Е КО М П О Н Е Н Т Ы

СЛЕДЯЩАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ В ЦЕПИ МИКРОФОНА

Рис. 3. Электретная цепь с увеличенным коэффициентом передачи

Рис. 4. Переходный процесс и АЧХ с увеличенным коэффициентом передачи

Рис. 5. Видоизмененная схема снижения величины конденсаторов

А Н А Л О ГО В Ы Е КО М П О Н Е Н Т Ы

Рис. 6. Дальнейшее снижение емкости конденсаторов за счет увеличения значений резисторов

WWW.ELCP.RU

в тракте обратной связи. В этом случае компромисс не настолько велик, т.к. два последовательных ОУ обеспечивают достаточное усиление. Схема на рисунке 5 имеет ту же АЧХ, что и в случае с неинвертирующим ОУ с 20-дБ коэффициентом усиления. В схему добавлены Ra и Rb, благодаря чему коэффициент затухания в тракте обратной связи достигает 10, что позволяет снизить значения обоих конденраз. Разумеется, необхосаторов в димо увеличить R2 в это же количество раз, чтобы компенсировать ноль на той же частоте. В результате Q цепи поддерживается на требуемом уровне. Добавленные сопротивления можно было бы легко поставить в первый каскад обратной связи между выходом и R6. Однако это негативно повлияло бы на смещение выходного сигнала. От R6 в ОУ2 или C2 ток (за исключением тока смещения) не протекает. Следовательно, пренебрегая малыми токами смещения, можно сказать, что постоянное напряжение с обеих сторон R6 одинаковое. Если перед R6 поставить аттенюатор, то благодаря петле обратной связи напряжение смещения выходного сигнала станет равным входному напряжению ОУ, деленному на коэффициент ослабления. В нашем примере коэффициент ослабления равен 10. Если для данного приложения подходят резисторы большей величины, следует увеличить значения R6, R3, Ra и Rb в некоторое число раз, уменьшив во столько же обе емкости. Например, R2 требуется увеличить во столько же раз, во сколько уменьшилось С1, чтобы удержать ноль на правильном значении частоты. На рисунке 6 показана модифицированная цепь с коэффици. ентом Таким образом, нам удалось уменьшить емкости конденсаторов, не изменив АЧХ схемы. Если блок усилителя инвертирующий, применяется другой метод. Обычно инвертирующие блоки ОУ используются в аудио- и других цепях для минимизации искажения. В неинвертирующей цепи синфазный сигнал на входах ОУ содержит усиливаемый сигнал переменного тока, тогда как в инвертирующей схеме входные сигналы ОУ содержат синфазный сигнал постоянного тока и малый сигнал ошибки. Модуляция синфазного сигнала ОУ в неинвертирующем усилителе может стать причиной дополнительных искажений. Рассмотрим схему из части 1 этой статьи (см. рис. 7). Вообще говоря, в состав исходного блока усиления входят ОУ1 и R5. R1 не изменяется при добавлении цепи обратной связи, в отличие от случая

создания ВЧ-фильтра. Однако наличие R4 уменьшает петлевое усиление блока ОУ1. Если номинальный коэффициент усиления R5/R1 остается неизменным, спад кривой усиления происходит на меньшей частоте. При R4 = R1 ширина полосы составляет 67% от ширины полосы той же схемы без R4. В результате произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания (GBWP) схемы с R4 уменьшается. Этого снижения можно избежать, подав сигнал обратной связи на неинвертирующий вывод ОУ1 и исключив R4, как показано на рисунке 8. Следует заметить, что обратная связь на неинвертирующем выводе ОУ1 положительная, и потому усилитель неустойчив. По этой причине мы изменили ОУ2 на неинвертирующий тип для сохранения отрицательной обратной связи. Однако заметим, что коэффициент усиления ОУ2 изменился с

Рис. 7. Базовая неинвертирующая цепь (рис. 4 Части 1 статьи)

(1)

на

(1а).

Рис. 8. Альтернативный каскад обратной связи для инвертирующего усилителя: слишком много нулей

Рис. 9. Окончательный вариант обратной связи для инвертирующего усилителя

Рис. 10. Схема с обратной связью на неинвертирующем выводе ОУ

Рис. 11. Устранение сигнала синфазного напряжения в ОУ2

Мы добавили еще один ноль в тракт обратной связи, в результате чего ноль, созданный с добавлением R2, больше не потребуется. От этого резистора можно избавиться, получив топологию на рисунке 9. Передаточная функция для этого варианта схемы определяется из уравнений 2, 3 и 4.

(2)

(3)

(4)

А Н А Л О ГО В Ы Е КО М П О Н Е Н Т Ы

С этими уравнениями чуть труднее работать. У нас больше нет резистора R2, который использовался для того, чтобы добротность Q не зависела от F0. Частоту полюсов ВЧ-фильтра F0 можно достаточно легко задать с помощью приведенных выше уравнений. Она отличается от F0 исходной топологии тем, что вместо сомножителя R4/ R5 появился R1/(R1 + R5). Этот сомножитель не регулируется, если не изменять коэффициент усиления каскада (ОУ1), тогда как в исходной схеме резистор R4 напрямую не влиял на коэффициент усиления блока. В уравнение для добротности Q (4) также входит «неуправляемый» сомножитель R1/(R1 + R5), и

WWW.ELCP.RU

Q зависит от нескольких компонентов, а не от одного. К числу оставшихся параметров, которые можно модифицировать для настройки F0 и Q, относятся R3, R6, C1 и C2. Их произведение определяет F0, в то время как отношения значений резисторов и конденсаторов задают Q. На рисунке 10 представлена модифицированная схема с той же АЧХ, что и в предыдущих случаях. Следует обратить внимание на то, что на неинвертирующий вход ОУ2 подается сигнал с максимальным размахом, что может оказаться неприемлемым в некоторых случаях из-за ограничений на входное синфазное напряжение ОУ. В этом случае следует вернуться к прежней конфигурации ОУ2 и изменить конфигурацию ОУ3 на неинвертирующий тип (см. рис. 11).

СОЗДАНИЕ ВЧ-ФИЛЬТРОВ ВЫСОКИХ ПОРЯДКОВ

Создав ВЧ-фильтры первого и второго порядков без добавления какихлибо компонентов в сигнальный тракт блока усилителя, можно приступить к разработке целого ряда таких цепей для получения ВЧ-фильтров более высоких порядков. Для реализации ВЧ-фильтра третьего порядка воспользуемся комбинацией двух предыдущих примеров. На рисунке 12 представлена диаграмма ВЧ-фильтра третьего порядка, распределенного между двумя усилительными блоками. На рисунке 13 — передаточная функция каждого каскада в отдельности и всей цепи в совокупности. Для реализации ВЧ-фильтра более высокого порядка каскады второго

Рис. 12. Распределенная схема ВЧ-фильтра третьего порядка

ния какой-либо цепи в сигнальный тракт.

Рис. 13. АЧХ распределенного ВЧ-фильтра

порядка включаются последовательно друг за другом. Этот новый вариант хорошо известного ТТ-фильтра обеспечивает еще одну топологию второго порядка с малой чувствительностью к изменению параметров компонентов, а также простыми средствами расширения признанного метода следящей обратной связи первого порядка до фильтров второго и более высоких порядков со связью по переменному току.

В силу того, что вход и выход всего фильтра в целом также является входом и выходом простого усилительного блока, представляющего собой один из трех каскадов этого фильтра, данную топологию можно использовать для реализации ВЧ-функции (блокировки постоянного тока) почти в любом усилительном блоке, что не повлияет на коэффициент усиления или на параметры на высоких частотах, а также не потребует добавле-

ЛИТЕРАТУРА 1. R. M. Stitt. «AC Coupling Instrumentation And Difference Amplifiers». TI Document SBOA003. 1990//focus.ti.com/general/docs/ techdocsabstract.tsp?abstractName=sboa003. 2. M. Fortunato. «Circuit Sensitivity with Emphasis on Analog Filters». Texas Instruments Developer Conference 2007. March 2007//focus. ti.com/lit/ml/sprp524/sprp524.pdf. 3. L.P. Huelsman and P.E. Allen. Introduction to the Theory and Design of Active Filters. McGraw-Hill. New York. 1980. 4. Aram Budak. Passive and Active Network Analysis and Synthesis. Houghton Mifflin company. Boston, 1974. 5. M.S. Ghausi and K.R.Laker. Modern filter Design: Active RC and Switched Capacitor. Prentice-Hall. Englewood Cliffs. N.J. 1981. 6. J. Tow. «A step-by-step active-filter design». IEEE Spectrum. Vol. 6. pp. 64–68. December 1969. 7. L.C. Thomas. «The Biquad: Part I «Some Practical Design Considerations». IEEE Transactions on Circuit Theory. Vol. CT-18. pp. 350–357. May 1971.

НОВОСТИ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

А Н А Л О ГО В Ы Е КО М П О Н Е Н Т Ы

| НОВОСТИ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ | Исследователи Массачусетского института технологии разработали актуаторы, которые создают в 6 раз больший крутящий момент, чем электродвигатели того же размера, но имеющие в 20 раз больший вес. Актуаторы вырезаются из плоского металлического листа, который затем крепится к движущимся частям механизма. Исследователи полагают, что актуаторы можно использовать в движущихся частях различных устройств, например в качестве наконечников, малоинвазивных хирургических инструментов или деталей фотокамер, встроенных в ноутбук. www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU

ШУМЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМАХ С ОПЕРАЦИОННЫМИ УСИЛИТЕЛЯМИ ГЕННАДИЙ ДЕНИСОВ, вед. специалист, ООО «ЛАД»

В статье даны основные сведения о шумах в электрических схемах. Приведены расчетные соотношения для разных схем включения операционных усилителей, позволяющие вычислить величину шумов.

ВВЕДЕНИЕ

В любой электрической схеме всегда присутствуют шумы. Они порождены неидеальностью компонентов схемы и физическими эффектами, которые обычно не принимаются в расчет при описании электрических процессов. Шумы можно представить в виде источников тока и напряжения, выходным сигналом которых является случайная величина с известным среднеквадратичным значением и спектральной плотностью. Спектральная плотность выражаетили В/ , а среднеквадрася в А/ тичное значение является результатом умножения спектральной плотности на квадратный корень полосы пропускания — . Среднеквадратичная величина собственного шума схемы при неблагоприятных обстоятельствах может достигать нескольких десятков микровольт. К нему следует добавить шум источника сигнала, например датчика. Отсюда следует, что при измерении микровольтовых сигналов, а в отдельных случаях и сигналов величиной несколько милливольт, необходимо проводить проверочный расчет с целью определения величины шума. ВИДЫ ШУМОВ

А Н А Л О ГО В Ы Е КО М П О Н Е Н Т Ы

Шумы в электрических схемах, в зависимости от причины их возникновения, можно разделить на следующие виды: – дробовой шум; – тепловой шум; – фликкер-шум, или шум 1/f; – импульсный шум; – шум лавинного пробоя. Происхождение дробового шума, который также называют шумом Шоттки, объясняется случайными флуктуациями движения электронов в полупроводнике. Другими словами, дробовой шум обусловлен тем, что электрический ток не является неразрывным потоком, а переносится дискретными носителями заряда.

WWW.ELCP.RU

Спектральная плотность дробового шума ish определяется следующим образом: ,

(1)

где q = 1,6.10 –19 — заряд электрона; I — ток протекающий в цепи. Среднеквадратичное значение дробового шума Ish: .

(2)

Тепловой шум, или шум Джонсона, порожден тепловыми колебаниями электронов в проводнике и прекращается лишь при охлаждении проводника до абсолютного нуля. При частоте ниже 100 МГц спектральная плотность теплового шума eth определяется как: ,

(3)

где: k = 1,38.10 –23 — постоянная Больцмана; T — температура в градусах Кельвина; R — величина сопротивления проводника или резистора, генерирующего шум. Среднеквадратичное значение теплового шума составит: .

(4)

Происхождение фликкер-шума до настоящего времени неизвестно. Он присутствует и в активных, и в пассивных компонентах. Возможно, он вызван не со вершенством кристаллической струк туры, т.к. усовершенствование технологического процесса приводит к уменьшению шума. Среднеквадратичные значения шума 1/f выражается соотношением: , ,

(5) (6)

где E1/f — среднеквадратичное значение напряжения фликкер-шума; I1/f — среднеквадратичное значение тока фликкер-шума; K V и KI — коэффициенты пропорциональности, численно рав-

ные шуму при напряжении или токе, соответственно, при частоте 1 Гц; fmax и fmin — соответственно, максимальная и минимальная границы полосы частот, на которой вычисляется значение шума. Импульсный шум порожден несовершенством полупроводников. Скважность импульсов может варьироваться в широких пределах, но амплитуда остается постоянной. Уменьшение импульсного шума достигается за счет улучшения технологического процесса. Шум лавинного пробоя проявляется, когда к p-n-переходу прикладывается обратное напряжение, поэтому он наиболее велик при использовании стабилитронов. Наилучшим решением этой проблемы является проектирование схемы, исключающей стабилитроны. Подытоживая сказанное, можно сделать следующие выводы: – тепловой и дробовой шумы присущи всем компонентам схемы, их нельзя уменьшить, улучшая технологию изготовления компонентов; – фликкер-шум и импульсный шум порождены несовершенством компонентов схемы и могут быть уменьшены за счет улучшения технологических процессов производства; – появление шума лавинного пробоя можно избежать за счет улучшения схемотехники, отказавшись от стабилитронов. – для уменьшения шумов схемы необходимо уменьшить полосу пропускания. ПРАКТИЧЕСКИЙ ПРИМЕР РАСЧЕТА ШУМОВ СХЕМЫ

При расчете будем полагать, что корреляция различных видов шумов отсутствует. В этом случае шумы складываются по правилу суммирования случайных величин. ,

(6)

где E∑ — суммарный шум схемы; Е12 + Е22 + … + ЕN2 — шумы компонентов схемы.

Рис. 1. Модель ОУ с источниками шума

Шумовая модель операционного усилителя (ОУ) приведена на рисунке 1. В технической документации изготовителя указан уровень шума ОУ, приведенный ко входу. На рисунке 1 этот параметр обозначен источником ЭДС en. Входные токи ОУ порождают дробовой шум (1, 2); на рисунке 1 эти шумы

обозначены inn для инвертирующего входа и inp — для неинвертирующего входа. На рисунке 2 приведена типовая инвертирующая схема включения ОУ. Последовательно с резисторами включены эквивалентные источники (резистор R1); ЭДС шума: (резистор R2); (резистор R3). Для подсчета суммарного шума прибегнем к методу суперпозиции — рассчитаем шум отдельно от всех источников, а суммарный шум определим по формуле (6). Поочередно определим шумы на выходе ОУ от источников e1, e2, e3: , E2 = e2, .

Рис. 2. Эквивалентная схема инвертирующего ОУ с источниками шума

Далее воспользуемся (6) и, подставив вместо e1, e2, e3 их значения, получим выражение для плотности шума, создаваемого резисторами на выходе ОУ: . После преобразования получим: , (7)

Рис. 4. Определение шума на выходе ОУ от источника inp

Рис. 5. Определение шума на выходе ОУ от источника inn

(8)

Далее рассмотрим шум ОУ. Как и в предыдущем случае, воспользуемся методом суперпозиции. Шум на выходе ОУ, создаваемый источником шума en (см. рис. 3), определится следующим образом: En = enAN. Шум, генерируемый дробовой составляющей тока неинвертирующего входа (см. рис. 4), составит Enp = inpAN. И, наконец, дробовой шум инвертирующего тока (см. рис. 5) создаст составляющую Enn = innR 2. В соответствии с (6), спектральная плотность суммарного шума, генерируемого внутренними источниками шума ОУ, составит .

Электронные компоненты №3 2010

39 А Н А Л О ГО В Ы Е КО М П О Н Е Н Т Ы

Рис. 3. Определение шума на выходе ОУ от источника en

— коэффициент усилегде ния шума. Отметим, что спектральная плотность шума, создаваемого резистором . Используя 1 МОм, равна 127 нВ/ это обстоятельство, легко пересчитать шум резисторов с иным номиналом. Например, спектральная плотность теплового шума резистора 10 кОм соста. Среднеквадратичное вит 12,7 нВ/ значение шума получим, помножив (7) на квадратный корень полосы пропускания F.

Таблица 1. Полоса пропускания шума Порядок фильтра 1 2 3 4

Полоса пропускания шума 1,57fc 1,11fc 1,05fc 1,25fc

Среднеквадратичное значение шума получим, помножив спектральную плотность на квадратный корень из полосы пропускания: .

(9)

И, наконец, полное суммарное среднеквадратичное значение шума на выходе ОУ составит .

(10)

В заключение рассмотрим схему с дифференциальным ОУ (см. рис. 6). Вычисление в ней шума аналогично приведенным выше выкладкам, поэтому, не вдаваясь в подробности, укажем окончательные выражения. Учитывая, что в данной схеме включения ОУ практически всегда выполняются равенства R1 = R3 и R2 = R4, составляющая шума от резисторов схемы составит . Шум, порождаемый внутренними источниками ОУ при тех же допущениях (R1 = R3 и R2 = R4), выразится следующим образом. . Подставляя значения ЕСКЗОУ и ЕСКЗR в (10), получим окончательное выражение для среднеквадратичного значения суммарного шума на выходе ОУ. Несмотря, на кажущуюся сложность, приведенные выражения 7—10 удобны для расчета — достаточно подставить в них параметры ОУ, указанные в документации изготовителя и параметры схемы — номиналы резисторов.

Уменьшить шумы в схеме можно, ограничив полосу пропускания с помощью фильтров. При этом следует учитывать соотношение между частотой среза фильтра fc и полосой пропускания шума fn (см. табл. 1) [1]. Часто усилитель строится из нескольких последовательно включенных каскадов ОУ. В этом случае необходимо корректно распределить усиление между ОУ. Рассмотрим случай m последовательно соединенных ОУ, коэффициент усиления которых, соответственно, составляет А1, А 2… А m . Коэффициент усиления сигнала в этом случае составит А1 × А 2 ×… × Аm. Для иллюстрации выбора коэффициентов усиления предположим для упрощения, во-первых, что входной сигнал SI не содержит шумов. Во-вторых, будем рассматривать шумы не на выходе ОУ, как мы рассчитывали выше, а приведенные ко входу шумы. В этом случае суммарный шум усилительного каскада из m усилителей выразится соотношением

(11) , где N1, N2…Nm — шумы первого, второго и т.д. каскадов, приведенные ко входу. Выходной сигнал усилителя SO определится соотношением

SO = (А1 × А2 ×… × Аm)SI.

(12)

Запишем соотношение сигнал/шум, предварительно разделив оба выражения на коэффициент усиления первого каскада А1

(13) . Из этого соотношения видно, что для увеличения соотношения сигнал/ шум коэффициент усиления А1 первого каскада должен не менее чем в 3—4 раза превышать коэффициенты усиления других каскадов. При этом выражение (13) примет вид .

(14)

Это максимальное соотношение сигнал/шум, которое можно получить для конкретной схемы. Из (14) следует еще один вывод: соотношение сигнал/шум многокаскадного усилителя определяется главным образом шумом входного каскада. ЛИТЕРАТУРА 1. Noise Analysis in Operational Amplifier Circuits. Application Report SLVA043B//www. ti.com.

СОБЫТИЯ РЫНКА

А Н А Л О ГО В Ы Е КО М П О Н Е Н Т Ы

Рис. 6. Шумы дифференциального ОУ

| РЫНОК КОМПЬЮТЕРОВ В РОССИИ СОКРАТИЛСЯ НА ТРЕТЬ | Российский рынок компьютеров в кризисном 2009 г. сократился на треть, пишет «РБК-daily» со ссылкой на отчет компании IT Research. Меньше всего от кризиса пострадал сегмент нетбуков. Всего за год было продано 7,28 млн компьютеров, из которых на ноутбуки пришлось 3,32 млн, а на настольные ПК — 3,96 млн. Основными игроками на рынке десктопов были Acer, Depo, HP, K-Systems и Kraftway. В сегменте ноутбуков также лидирует Acer. Следом идут Asus, HP, Samsung и Toshiba. В 2010 г. прогнозируется 10-% рост рынка, причем сегмент портативных компьютеров будет до 2013 г. ежегодно расти в среднем на 17%. В 2008 г., по данным той же IT Research, в России было продано 9,4 млн компьютеров, из которых 3,5 млн пришлось на ноутбуки. В эту оценку нетбуки не входили. www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU

ПОВЫШЕНИЕ ЛИНЕЙНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ РЧ-УСИЛИТЕЛЕЙ ПОЛ РАКО (PAUL RAKO), техн. редактор, EDN

В статье изложены различные методы линеаризации РЧ-усилителей, приведены электрические схемы и диаграммы. Рассмотрено влияние на линейность усилителей температурных режимов и напряжения питания, даны практические рекомендации. Как правило, лучшей линейности усилителей добиваются за счет увеличения мощности выходного каскада. Однако при этом эффективность усиления падает, следовательно, рассеивается больше тепла, что, в конечном счете, увеличивает энергопотребление системы и уменьшает время работы портативного устройства. Сокращение тепловыделения позволяет снизить стоимость и эксплуатационные затраты схемы. Один из методов улучшения линейности — использование РЧ-усилителей с понижающей передачей, в которых

выходной сигнал всегда меньше напряжения питания. Как и в предыдущем случае, при этом подходе эффективность усиления падает. Для увеличения эффективности работы однотранзисторного выходного каскада нужно приблизить выходной сигнал к напряжению питания путем соответствующего выбора напряжения питания и импеданса нагрузки. При этом уменьшается мощность, рассеиваемая выходными транзисторами, поскольку разность между сигналом и напряжением питания мала, и портится линейность

А Н А Л О ГО В Ы Е КО М П О Н Е Н Т Ы

Рис. 1. Ограничение выходного сигнала

Рис. 2. Нелинейность усилителя не влияет на частотно-модулированный сигнал

WWW.ELCP.RU

характеристики как на радио-, так и на звуковых частотах. Кроме того, появляется эффект ограничения сигнала, когда напряжение питания становится недостаточным для правильной передачи входного сигнала (см. рис. 1). ВАЖНА ЛИ ЛИНЕЙНОСТЬ?

Линейность не является главной характеристикой для большинства РЧ-систем. Так, усилители класса С не всегда идеально передают форму входного синусоидального сигнала, поэтому они применяются в таких схемах, где это и не требуется. Например, для качественной работы радиоприемника FM-диапазона достаточно, чтобы сохранялись точки пересечения нуля, а не правильная форма пиков (см. рис. 2), поскольку вся информация содержится именно в этих точках. За последние 10 лет наблюдается переход к более сложным схемам модуляции, которые позволяют передавать больше информации по более узкой полосе частот. В качестве количественной характеристики степени уплотнения канала используется эффективность, которая выражается в Мбит/с на МГц. Во многих стандартах связи информация содержится не только в точках пересечения нуля. Например, в схеме QAM (квадратурная амплитудная модуляция) информация содержится в амплитуде и фазе несущего сигнала. Рассмотрим классическое созвездие 64-QAM (см. рис. 3). Огибающая сигнала представляется с помощью 64 векторов. Каждый вектор может нести информацию о нескольких битах, если эффективность использования полосы пропускания достаточно высока. В таких схемах требуется очень хорошая линейность характеристик, иначе векторы накладываются друг на друга, при этом содержащиеся в них данные теряются безвозвратно. Некоторые виды нелинейных искажений, которые возникают в схеме, например, логарифмические искажения при насыще-

характеристик, но и повысить коэффициент передачи в прямом направлении. Поскольку коэффициент передачи в прямом направлении с ростом частоты уменьшается, то на ВЧ требуется менее глубокая ОС. Это приводит к тому, что в РЧ-усилителях, особенно УМ, нельзя использовать традиционную ОС на рабочих частотах порядка 1 ГГц и выше. Если схема усилителя разомкнута, то могут возникать проблемы, связанные

с подавлением напряжения питания (power-supply rejection) и насыщением выходного сигнала (output saturation). Поскольку РЧ-усилители работают на граничных частотах транзисторов, то на их основе нельзя сделать ОУ с высоким коэффициентом усиления. Таким образом мы видим, что при проектировании РЧ-усилителей сохраняются все те проблемы, с которыми сталкивались несколько десятилетий

43 А Н А Л О ГО В Ы Е КО М П О Н Е Н Т Ы

нии транзистора, можно учесть в процессе демодуляции, но это довольно сложно и практически не используется. Таким образом, единственный способ обеспечить точность векторов — это повысить точность самого усилителя мощности (УМ). Выходные каскады усилителей класса А также вносят нелинейности, поэтому положительные и отрицательные полуволны выходного сигнала становятся несимметричными. На низких частотах эта проблема разрешается путем введения обратной связи (ОС). Транзисторные усилители постепенно переросли в операционные с коэффициентом усиления более 120 дБ. Линейность ОУ повышается также за счет использования большого количества отрицательных ОС. При введении ОС в выходные каскады усилителей класса АВ линейность может возрастать до 0,00003% (LME49710 National Semiconductor). Заметим, однако, что это значение достигается на сравнительно низких частотах. У всех усилителей наблюдается завал коэффициента усиления с повышением частоты. Усилители с токовыми ОС характеризуются меньшими потерями на ВЧ, но и у них коэффициент усиления падает, начиная с определенной частоты. Отметим, что введение ОС помогает не только улучшить линейность

Рис. 3. Созвездие 64-QAM. Шифрование 6 битов в один символ

Электронные компоненты №3 2010

Рис. 4. Виды искажений в усилителях, вызванные нелинейностью характеристик транзисторов (а); эффектом ограничения (б); эффектами электрического; (в) и термического; (г) запоминания

А Н А Л О ГО В Ы Е КО М П О Н Е Н Т Ы

назад инженеры-схемотехники, разрабатывая усилителей на лампах. Повышение линейности характеристик — не единственная и не самая сложная задача, с которыми приходиться иметь дело при разработке усилителя. Например, электрические или термические условия работы могут вызвать эффекты запоминания, что в свою очередь повлечет за собой временные искажения или потерю данных. Явление электрического запоминания похоже на эффекты, которые часто можно было наблюдать в старых ламповых гитарных усилителях с дешевыми источниками питания. Громкий аккорд перегружал выходной каскад и сбрасывал напряжение питания. Проседание напряжения питания изменяет смещение выходных транзисторов, вследствие чего возникает информационно-зависимые нелинейные искажения. Величина таких искажений зависит от предыдущего состояния сигнала. Это же явление встречается в УМ, работающих в радиочастотном диапазоне. Последовательность данных может содержать такие символы, которые перегружают усилитель и, соответственно, выводят из строя работу ИП и схем смещения. Возникают временные искажения, которые передаются в модулированный сигнал. Второй источник эффектов запоминания — тепловые условия работы. В горячем и холодном состоянии транзисторы имеют разные переходные характеристики, что приводит к искажениям сигнала, если температура транзистора меняется.

WWW.ELCP.RU

На рисунке 4 показаны искажения в силовых РЧ-каскадах. Эти искажения обусловлены видом переходной характеристики транзистора — это не прямая зависимость, а логарифмическая. Частично нелинейности могут возникать из-за насыщения транзистора при работе с сигналами, близкими к напряжению питания. СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ЛИНЕЙНОСТИ

При разработке усилителя нельзя просто уменьшить размах выходного сигнала, т.к. при этом снизится эффективность усиления. Приходится использовать положительные и отрицательные ОС или вносить предыскажения, чтобы сохранить эффективность и одновременно уменьшить энергопотребление схемы. Применение ООС подходит для усилителей с высокой линейностью характеристик, узкой полосой частот и средней эффективностью. Положительные ОС применяются в схемах с высокой линейностью, более широкой полосой частот и низкой эффективностью. Наконец, предыскажения применяются, когда требуются очень высокая эффективность, средняя линейность и небольшая полоса пропускания. Поскольку РЧ-усилители мощности работают на высоких частотах, использование традиционных ОС в них непрактично. В этом смысле под термином «обратная связь» часто подразумевается такая ОС, в которой выходной РЧ-сигнал делится на синфазную I и квадратурную Q составляющие и поступает на входные каскады. В такой системе можно получить еще более высокую

линейность, однако необходимо следить, чтобы не возникало перегрузок в выходном каскаде. Эффективность усиления остается низкой. Кроме того, из-за риска появления генерации этот метод неприменим для широкополосных усилителей. Чтобы получить и хорошие линейные характеристики, и широкую полосу, используют предыскажения. В этом случае для компенсации нелинейных искажений используются сигналы I и Q. В цифровых системах линейность обеспечивается с помощью сложных алгоритмов предсказания термических и электрических эффектов запоминания, однако цифровые методы имеют ограниченные возможности коррекции. Как правило, степень линейности того или иного компонента системы известна заранее. Например, активный повышающий преобразователь с изоляцией заведомо имеет более широкий динамический диапазон, чем аналогичный пассивный преобразователь, за которым стоит усилитель. Предыскажения позволяют упросить схему. Кроме того, иногда используется сочетание обоих методов, когда в схеме используются и обратные связи, и цифровые предыскажения (см. рис 5). Часто вместо цифровых методов коррекции лучше применять схемотехнические. Чем выше линейность компонента, тем меньше требуется цифровой коррекции. Рассмотрим усилитель Догерти, изобретенный в 1936 г. (см. рис. 6). Он имеет два РЧ-входа, а размах выходного сигнала близок к напряжению питания. Дополнительный усилитель нужен для того, чтобы регулировать видимый извне выходной импеданс основного усилителя. Если выходной сигнал дополнительного усилителя повторяет сигнал основного, то выходной импеданс с точки зрения передающего усилителя бесконечен (см. рис. 7). Поскольку оба конца линии имеют один и тот же потенциал, между ними не идет ток и мощность не потребляется. Если дополнительный усилитель отключить, то выходной импеданс с точки зрения основного усилителя станет равным характеристическому импедансу линии передачи. Далее, если второй усилитель будет работать в противофазе, тогда видимый извне выходной импеданс по отношению к передающему усилителю равен половине характеристического, поэтому мощность повышается. Сигнал основного усилителя всегда имеет размах, близкий к напряжению питания. Если в схеме необходима передача маломощных сигналов, то второй усилитель используется для увеличения выходного импеданса, который видит основной усилитель. В результате для дан-

Рис. 5. Смешанная схема коррекции

Рис. 6. Усилитель Догерти

Описанный усилитель Догерти очень удобен для применения в базовых станциях. В абонентском обо-

рудовании из-за ограничений по габаритам и стоимости схемы для подключения и отключения усили-

45 А Н А Л О ГО В Ы Е КО М П О Н Е Н Т Ы

ного перепада напряжения, близкого к линии питания, ток и, следовательно, мощность уменьшаются.

Электронные компоненты №3 2010

ности (см. рис. 8) . Также можно применять преобразователи постоянного напряжения. С ними выходной РЧ-каскад всегда работает на границе области насыщения, поэтому эффективность максимальна. Однако они занимают много места и сами по себе имеют предел по эффективности. МОДЕЛИРОВАНИЕ Рис. 7. Принцип изменения выходной мощности, использующийся в усилителе Догерти

Рис. 8. Переключатели Avago. (а) – режим высокой мощности (больше 16 дБм); (б) – маломощный режим (меньше 16 дБм)

тельных блоков рекомендуется применять РЧ-переключатели, такие как усилительный модуль CoolPAM Avago. Он имеет хорошую эффективность на широком диапазоне выходной мощ-

Поиски компромисса между эффективностью и линейностью в РЧ-усилителях затрагивает, кроме всего прочего, использование инструментов САПР. Поскольку РЧ-системы сами по себе нелинейны, то в них приходится решать все те же математические проблемы, что и в других нелинейных устройствах. Использование Spice и других инструментов моделирования может оказаться затратным по времени и не привести к ожидаемым результатам, поскольку в большинстве РЧ-схем требуется работа в установившемся режиме. Вторая проблема заключается в том, что часто внутренняя схема усилителя закрыта и приходится пользоваться S-параметрами для анализа. К сожалению, такой уровень абстракции не объясняет нелинейные искажения и не позволяет промоделировать смещение усилителя. Для решения этой проблемы Agilent, которая популяризировала проектирования с использованием S-параметров, недавно представила X-параметры, или моделирование искажений полигармоник. Эти параметры комбинируют выходной сигнал линейной системы с выходным сигналом, обу-

словленным нелинейными составляющими. Компания выпустила несколько брошюр с описанием данного метода и включила этот инструмент в свой пакет средств разработки. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проектирование РЧ-усилителей с каждым годом становится труднее из-за ужесточения требований к схемам модуляции. Высокая линейность и эффективность только еще больше подчеркивают важность тщательного анализа при проектировании. Сам процесс проектирования становится междисциплинарным, затрагивая радиочастотную, цифровую и аналоговую электронику. В помощь разработчикам были созданы САПР, различные инструменты и испытательные установки, облегчающие проектирование. Возможно с развитием этой области процесс разработки усилительных устройств станет проще, быстрее и дешевле.

ЛИТЕРАТУРА 1. Vani Viswanathan. Efficiency Enhancement of Base Station Power Amplifiers Using Doherty Technique//scholar.lib.vt.edu/theses/ available/etd-05062004-152027/unrestricted/ Viswanathan_Thesis.pdf. 2. Jan Verspech и David Root. Polyharmonic Distortion Modeling//www.janverspecht. com/pdf/phd_ieeemicrowavemagazine.pdf. 3. Paul Rako. Heads and tails: Design RF amplifiers for linearity and efficiency//www.edn. com/article/CA6544734.html

СОБЫТИЯ РЫНКА | КОМПАНИЯ «АБРИС» НА ВЫСТАВКЕ «ЭКСПОЭЛЕКТРОНИКА» | Компания «Абрис» приглашает Вас посетить наш семи-

А Н А Л О ГО В Ы Е КО М П О Н Е Н Т Ы

нар по теме «Практика серийного изготовления СВЧ-блоков на импортных материалах (Rogers, Taconic др.) с медным основанием» в рамках деловой программы выставки «ЭкспоЭлектроника». Семинар состоится в первый день работы выставки 20-го апреля в 10-45 в конференц-зале №1 павильона 1, зал 3. На семинаре будут затронуты вопросы, касающиеся освоенной технологии СЕРИЙНОГО изготовления СВЧблоков гражданского и военного назначения диапазона десятки ГГц. В программе семинара будут рассмотрены следующие вопросы: – особенности проектирования СВЧ-блоков; – переход на импортные материалы при их изготовлении; – достоинства и особенности импортных СВЧ-материалов печатных плат (Rogers, Taconic и др.); – типовая структура печатной СВЧ-платы на металлическом основании; – особенности монтажа СВЧ-плат на металлическом основании; – преимущества перехода на новые технологии. Огромный интерес, проявленный к нашей технологии серийного изготовления СВЧ-блоков, и новые вопросы по СВЧ-технологиям на прошлом семинаре побудили нас расширить программу настоящего семинара в период выставки. Все участники получат наборы материалов по особенностям проектирования и изготовления СВЧ-блоков, а также таблицы характеристик по подбору импортных СВЧ-материалов (Rogers, TMM, Taconic др.). www.rcmgroup.ru

WWW.ELCP.RU

СОЗДАНИЕ АНАЛОГОВОЙ СИСТЕМЫ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММИРУЕМЫХ КРИСТАЛЛОВ РОН УИЛСОН (RON WILSON), отв. редактор, журнал EDN Конфигурируемые аналоговые ИС многие годы присутствуют на рынке, но спрос на них меньше, чем на ПЛИС. Однако нынешняя экономическая ситуация внезапно сделала концепцию программируемых стандартных аналоговых устройств достаточно привлекательной. Но каким методом воспользоваться для проектирования этих кристаллов? Годится ли традиционная интуитивно-понятная технология моделирования аналоговых ИС, основу которой составляет верификация макета? Статья пытается дать ответ на этот сложный вопрос. Статья представляет собой сокращенный перевод [1]. РАЗНООБРАЗИЕ АРХИТЕКТУР

Одной из причин неоднозначности ответа является широкий диапазон архитектур программируемых аналоговых систем. В одном конце этого диапазона находятся функциональноориентированные кристаллы, степень конфигурируемости которых определяется пользователем; при этом их основная функция остается неизменной. На другом конце находятся аналоговые

кристаллы, сходные с ПЛИС и представляющие собой большие массивы малых неспециализированных функциональных блоков. Эти два противоположных конца диапазона различаются структурно и функционально, поэтому требования к каждому из них разные. Рассмотрим два примера. С одной стороны, обратимся к семейству программируемых контроллеров мощности компании Lattice Semiconductor

(см. рис. 1). Данные многофункциональные микросхемы управляют не только последовательностью операций, но и согласованием нескольких источников питания на печатной плате (ПП). Это простые программируемые логические устройства (ПЛУ), в состав которых также входят прецизионные АЦП, мониторы с программируемым порогом и ЦАП для обнаружения выходного напряжения питания и точной подстройки напряжений для контура обратной связи источников питания. С другой стороны, рассмотрим FPAA (field-programmable analog arrays — программируемая матрица аналоговых элементов) компании Anadigm. По сути, эти устройства представляют собой нескоммутированные матрицы логических элементов для сборки цепей обработки аналогового сигнала с переключаемыми конденсаторами. Целью программирования в FPAA является не только установка параметров схемы, но и создание ее топологии. Понятие «программируемость» в данном случае имеет два значения. Разумеется, методы, используемые при работе с FPAA, также различаются.

А Н А Л О ГО В Ы Е КО М П О Н Е Н Т Ы

РАЗЛИЧИЕ МЕТАФОР

Рис. 1. Контроллер 1220AT8 компании Lattice для контроля источников питания на плате

WWW.ELCP.RU

Разработчики кристаллов стремятся скрыть структуру программируемых микросхем от пользователей, заменив ее метафорой для визуализации архитектуры. Они полагают, что эта визуализация окажется не только более знакомой пользователям, но и уместной для решения той или иной задачи. Метафоры изменяются в зависимости от структуры кристалла и представления поставщика микросхем о стоящих перед потребителями задачах. Например, на заре развития цифровых ПЛИС поставщики представляли внутренние части структуры ПЛИС в виде

НЕСКОЛЬКО ПРИМЕРОВ

Шьям Чандра (Shyam Chandra), менеджер сбыта, компания Lattice Semiconductor, считает, что для управления сигналами сброса, синхронизации сторожевого таймера и подобных функций инженеры до сих пор используют дискретные кристаллы. Lattice выбрала метафору программирования, схожую с методом использования разработчиками небольшого количества миниатюрных кристаллов с фиксированным назначением. Для составления технического задания на разработку потребители продукции Lattice просматривают спецификации на процессоры, память, ПЛИС и другие устройства на платах, чтобы определить требуемую последовательность увеличения мощности для каждого кристалла. Объединение этих последовательностей позволяет создать полную диаграмму состояния логики контроллера. Эта задача выполняется вручную. Около 75% времени, затраченного на первый проход, пропадает впустую. Lattice предлагает простой язык программирования и средство моделирования сигнала, с помощью которых кодируется последовательность и отслеживается ход выполнения этой операции без опасения чтото нарушить. Завершив кодирование последовательности, средство конфигурирует управление кристаллом таким образом, чтобы можно было управлять сигналами сброса и затворами МОП-транзисторов, которые задают последовательность питания на плате. Аналогично, обеспечивается вспомогательное средство подстройки и контроля границ кристалла. Используя библиотеку известных компонентов DC/DC-преобразователей, программное обеспечение собирает информацию пользователя о границах кристалла, требования по напряжению и устанавливает встроенные компараторы и ЦАП, а также значения резисторов как для отслеживания выходных сигналов преобразователя, так и для регулировки входных сигналов. Понятие стандартной метафоры устройства далеко выходит за рамки представления об управлении питанием.

Компания Actel предлагает конфигурируемые блоки AFE (analog front end — аналоговые внешние интерфейсные аппаратные средства) семейства ПЛИС под маркой Fusion. Эта компания поддерживает конфигурацию своих программируемых аналоговых блоков, но также скептично оценивает потребность пользователя моделировать на уровне платы. Эта компания предоставляет на уровне ИС средство генерации аналогового сигнала, который после прохождения через модуль АЦП преобразуется в цифровой сигнал, использующийся в симуляции логики ПЛИС с помощью системы ModelSim компании Mentor Graphics. Однако топология блоков AFE достаточно жесткая. По мнению Нагела, пользователи зачастую преждевременно стремятся определить потребности системы в разрешении, частоте выборки и т.д. — поначалу следует сконфигурировать AFE-блоки, а затем их использовать. Можно запросить аналоговые узлы в блоках AFE и анализировать цифровые сигналы в той части кристалла, где находится ПЛИС, с помощью встроенного логического анализатора САПР Synplicity. Таким образом, разработчики, как правило, не анализируют блоки AFE с помощью средств моделирования, ограничиваясь симуляцией цифровой логики. Еще один взгляд на решение этого вопроса предлагает компания Cypress Semiconductor, чьи программируемые СнК (programmable systems on chips, pSOC) имеют относительно хорошо конфигурируемый массив аналоговых компонентов, тесно связанный с массивом цифровых стандартных блоков и ядром микроконтроллера (см. рис. 2). Стандартное назначение архитектуры Cypress отражает метафору языка высокого уровня и маршрут проектирования «синтезмоделирование». Однако эта компания выбрала другое направление. Джейсон Бомбах (Jason Baumbach), инженер по применению Cypress Semiconductor, считает, что метафорой является каталог компонентов, а не программируемая матрица аналоговых элементов. Разработчику не поможет список тысяч конфигурационных регистров, поэтому Cypress предлагает каталог пользовательских модулей — конфигурируемых частей аналогового массива на кристалле. Для пользователя они представляют собой стандартные аналоговые компоненты. Разработчик составляет схему аналоговой части своего проекта с помощью данных модулей и переходит от этой схемы к монтажной плате с помощью макета программируемой СнК компании Cypress. По мнению Бомбаха, лишь немногие инженеры пользуются Spice или Matlab. По большей части, все те операции, которые они выполняют в аналоговой цепи, достаточно просты. ДРУГИЕ ВЗГЛЯДЫ

Большинство других компаний не предоставляет пользователям средство симуляции на уровне платы, позволяющее понять, как их кристаллы работают с другими

49 А Н А Л О ГО В Ы Е КО М П О Н Е Н Т Ы

наборов затворов NAND, управляющих входными сигналами больших затворов NOR, в соответствии с принятым в то время стандартным способом выражения логических функций в виде минтермов. Компания Lattice, например, описывает свои микросхемы контроллеров мощности в терминах устанавливаемых на кристалле компонентов: цифровой и аналоговый выходы, ограничительные компараторы, АЦП, программируемая логическая матрица и ряд АЦП. Напротив, компания Anadigm не рассматривает свои кристаллы как совокупность конденсаторов, настраиваемых усилителей, многозвенных схем или программируемых аналоговых коммутаторов, прибегая к описанию аналоговых функциональных блоков — операционных усилителей, фильтров и т.д. В то же время, если устройство становится компонентом большого проекта, компания предлагает пользователю рассматривать кристалл как многофункциональный черный ящик или черный ящик с заданной функцией безотносительно его содержания. Вообще говоря, чем специфичнее функция программируемого аналогового кристалла, тем точнее представляемая метафора. Однако если программируемая архитектура достаточно гибкая, поставщик выбирает один из двух подходов: настолько же независимую от приложения метафору, что и лежащая в ее основе архитектура, — например, таблицы соединений Verilog-A или Spice, либо метафору, которая скрывает программируемую архитектуру, представляя ее в виде параметризованного кристалла с фиксированным назначением. Значение метафоры заключается в том, что она — а не лежащая в ее основе кремниевая архитектура — определяет метод проектирования, который выбирает пользователь. Это обстоятельство иллюстрируют конкретные примеры.

Электронные компоненты №3 2010

Рис. 2. В состав СнК компании Cypress входит микроконтроллер с программируемой матрицей цифро-аналоговых блоков

цепями на плате или как аналоговые и цифровые части кристалла функционируют друг с другом. Этой цели служит та информация, с которой разработчик может ознакомиться в техническом описании. Однако Cypress эволюционирует в другом направлении. Аналоговые блоки программируемых СнК становятся все более значимыми, и заказчики все чаще пользуются возможностью встроенного микроконтроллера реконфигурировать аналоговый массив «на лету». Это полезная возможность, но при таком подходе пренебрегается метафора, основанная на обращении к каталогу компонентов. Устройства становятся все более мощными, поэтому требуется в большей мере использовать абстракции. Напротив, компания Austriamicrosystems AG экспериментирует с более широким подходом к симуляции для относительно простых кристаллов. Брюс Ульрих (Bruce Ulrich), директор сбыта компании, считает, что существуют два типа инженеров: пуристов,

А Н А Л О ГО В Ы Е КО М П О Н Е Н Т Ы

Рис. 3. Метод межслойных соединений, программируемых компанией Triad

WWW.ELCP.RU

которые пренебрегают симуляцией, и тех разработчиков, которые не считают себя знатоками и пользуются инструментом, позволяющим экспериментировать. Austriamicrosystems поместила на своей домашней странице версию библиотеки линейной симуляции WebSim компании Transim Technology. На этой странице находятся модели силовых ИС, инструмент сбора таблиц соединений, аппаратная модель и инструмент генерации списка комплектующих. Пользователи имеют возможность создать макет силовой подсистемы, изучить ее параметры и эксплуатационные характеристики, а также получить список компонентов. Ульрих подчеркивает, что достигаемая при этом точность меньше, чем реализуемая с помощью Spice, т.к. это всего лишь линейная аппроксимация. Однако полученная модель достаточно хорошо показывает, как поведет себя цепь в реальных условиях, и предостерегает разработчика от ошибок коммутации, проблем с шумом или с неустойчивостью. Недавно компания установила это средство на свой сайт; планируется, что со временем библиотека моделей расширится, и пользователи получат возможность анализировать работу других компонентов продуктовой номенклатуры компании. Иначе обстоят дела у компании Triad Semiconductor. Как и Cypress, эта компания производит кристаллы, в состав которых входит программируемая матрица аналоговых элементов и микроконтроллер (см. рис. 3). В этом случае, однако, метод программирования реализован в виде программируемых изготовителем межслойных соединений, а не программируемых при эксплуатации

флэш-ячеек. Большинство пользователей, по мнению Рейда Уэндера (Reid Wender), вице-президента по сбыту Triad, начинает не с симуляции, а с макетирования проектов с помощью стандартных дискретных аналоговых компонентов для трактов аналогового сигнала и ПЛИС для цифровой логики и ядра ARM Cortex M0. Они обращаются в компанию за специализированными ИС (ASIC). Заказчик передает макетную плату инженерам Triad для преобразования трактов аналогового сигнала в заказной ИС. Затем инженеры с помощью средства симуляции на уровне кристалла конфигурируют матрицу аналоговых элементов, чтобы согласовать передаточные функции этой платы. Triad сообщает результаты симуляции заказчику, устанавливает маску межсоединений и конфигурирует многослойные кремниевые пластины около месяца. Установив кристалл Triad в макетную плату, заказчик приступает к верификации. Наиболее трудным этапом такой технологии является анализ сопряжения трактов обработки аналогового сигнала с программным обеспечением ядра Cortex. Triad пользуется средствами компании Keil для симуляции цифроаналоговых периферийных устройств, однако Уэндер считает, что необходимо создать полноценный симулятор аналоговых и смешанных сигналов — тот инструмент, который объединил бы в себе Verilog, Spice и программное моделирование при низкой цене. ПЕРСПЕКТИВЫ

О перспективах развития программируемых матриц аналоговых элементов рассказывает Пол Хэслер (Paul Hasler), профессор электротехники и информатики из Технологического

ектирования FPAA задействованы два уровня симуляции. Моделирование начинается с Simulink и библиотеки стандартных блоков, для которых коллектив Хэслера создал таблицы соединений Spice. Пользователь осуществляет моделирование системы в Simulink, затем путем подстановки составляет таблицу соединений. Она отправляется на компилятор кристалла, который создает эквивалентный файл программирования ПЛИС. Хэслер считает, что пользователь должен научиться работать с инструментами Spice, чтобы в наибольшей мере реализовать возможности кристалла. При использовании Simulink эта работа по большей части выполняется в библиотеке. Коллектив инженеров в настоящее время создает инструменты, которые извлекают таблицу соединений Spice с точным воспроизведением паразитных элементов из файла программирования на уровне переключателей и выполняет, по сути, сравнение между созданной топологией и источником. Так в недалеком будущем станут выполняться маршруты проектирования даже в случае с намного более простыми компонентами, считает Джон Пирс (John Pierce), директор отдела сбыта средств моделирования сигналов, Cadence. Традиционный подход больше не работает даже при проектировании устройств с фиксиро-

ванным назначением. Инженерам придется учитывать последствия интеграции программируемых компонентов в систему, а не думать, как их программировать. Интуитивно понятно, что моделирование на уровне платы разумнее выполнять с помощью Matlab или схожего средства. Однако нелегко получить представление о коммутационной матрице с помощью передаточной функции — трудности возникают уже на уровне моделирования схемы. Verilog-A или SystemVerilog (а также им подобные языки) не позволяют изменить параметры регистра конфигурации во время прогона. Симуляция может разделиться на несколько частей при попытке смоделировать эти регистры и аналоговые ключи как часть таблицы соединений устройства, особенно в случае применения методов переключаемых конденсаторов. По мнению Пирса, методы симуляции программируемой аналоговой части системы известны, но вопрос в том, чтобы научиться использовать их в среде Verilog-AMS (analog/mixedsignal — аналоговый или смешанный сигналы).

ЛИТЕРАТУРА 1. www.edn.com/index.asp?layout=article Print&articleID=CA6670945.

51 А Н А Л О ГО В Ы Е КО М П О Н Е Н Т Ы

института Джорджии, который уже 10 лет работает над проектом FPAA. Этот проект связан с созданием больших матриц примерно из 1000 аналоговых компонентов и тысяч устройств на уровне переключателей, составленных в 100 вычислительных аналоговых блоков. Хэслер утверждает, что такие кристаллы, возможно, в 10 раз превысят емкость существующих FPAA для коммерческого применения при скорости обработки аналогового сигнала 1 трлн команд умножения с накоплением на один кристалл, потребляющий несколько сотен мВт. Хэслер и его коллектив разработали полный маршрут проектирования, использующий модель обработки аналогового сигнала. По утверждению Хэслера, у одного из созданных больших кристаллов насчитывается порядка 100 тыс. программируемых параметров. На таком уровне сложности невозможно работать вручную, поэтому программирование выполняется с помощью метафоры обработки сигнала на уровне блоков. И даже в этом случае исключительная сложность FPAA требует использовать ASIC-подобный маршрут проектирования. Попытки устранить неисправность в 1000-компонентной аналоговой схеме с помощью макетной платы оказались бы безуспешными. По этим причинам в маршруте про-

Электронные компоненты №3 2010

Линейные регуляторы напряжения компании STMicroelectronics АНДРЕЙ НИКИТИН, техн. консультант

В статье рассматривается номенклатура линейных регуляторов, предлагаемых компанией STMicroelectronics, а именно: стандартные регуляторы, регуляторы с малым и очень малым зна-чением падения напряжения на регулирующем элементе. Кроме того, рассматриваются линейные регуляторы, предназначенные для управления мощными светодиодами.

Линейные регуляторы (стабилизаторы) напряжения находят широкое применение в современных системах электропитания электронных устройств. Известно, что импульсные регуляторы обладают, как правило, более высоким значением КПД, однако создают на выходе помехи с частотой коммутации, и по этой причине не всегда пригодны для питания схем, чувствительных к пульсациям. Кроме того, достоинствами линейных регуляторов являются более простая схема включения (и, как следствие, минимальное количество компонентов обвязки) и низкая стоимость. В связи с этим у различных производителей электронных компонентов линейные регуляторы занимают важную нишу в номенклатуре микросхем управления питанием. СТАНДАРТНЫЕ ЛИНЕЙНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ

Изначально в линейных стабилизаторах в качестве регулирующего элемента использовался биполярный составной npn-транзистор, управляемый биполярным транзистором pnp-типа. Регуляторы этого типа принято называть стандартными. Они выпускаются многими производителями и имеют, как правило, единую систему обозначений — серии L78 и L79 (соответственно, для положительных и отрицательных выходных напряжений). Номенклатура компании STMicroelectronics включает следующие стандартные линейные регуляторы: – серия L78Lxx — максимальный ток нагрузки до 0,1 А;

Рис. 1. Основные типы регулирующего элемента в линейных стабилизаторах

WWW.ELCP.RU

– серия L78Mxx — максимальный ток нагрузки до 0,5 А; – серия L78xxA — максимальный ток нагрузки до 1,0 А; – серия L78xx — максимальный ток нагрузки до 1,5 А; – серия L78Sxx — максимальный ток нагрузки до 2,0 А. Типовые характеристики стандартных стабилизаторов следующие: – максимальное входное напряжение — до 35…40 В; – падение напряжения на регулирующем элементе — от 1,7 В и более; – точность стабилизации — 2…4%; – собственный ток — 6 мА. Несмотря на более чем скромные характеристики, невысокая стоимость, простота применения, разнообразие значений выходных напряжений и корпусов обеспечивают стандартным регуляторам стабильную нишу при создании простых и недорогих схем электропитания. КЛАССИФИКАЦИЯ И ТЕРМИНОЛОГИЯ

Падение напряжения на регулирующем элементе VDROP является ключевым параметром линейного стабилизатора. Стабилизаторы с высоким значением VDROP затруднительно применять в устройствах с малыми входными напряжениями (например, в батарейных источниках питания), с ограничениями по мощности источников питания, в конструкциях с ограниченными возможностями по отводу тепла. Собственно говоря, стремление к снижению этого параметра определило дальнейшую эволюцию линейных регуляторов. Компания STMicroelectronics разделяет выпускаемые ею линейные регуляторы на три основные группы: – стандартные регуляторы (с положительным или отрицательным выходным напряжением); – регуляторы с малым падением напряжения (Low DropOut — LDO); – регуляторы с очень малым падением напряжения (very Low DropOut — vLDO). Учитывая тот факт, что различные производители зачастую вкладывают в эти термины разный смысл, постараемся прояснить термин LDO. На рисунке 1 представлены различные технологические исполнения регулирующего элемента (проходного транзистора) [1]: 1. Составной npn-транзистор (схема Дарлингтона), управляемый pnp-транзистором. 2. Одиночный pnp-транзистор. 3. Одиночный npn-транзистор, управляемый pnpтранзистором. 4. Полевой p-MOS транзистор; 5. Составной полевой n-MOS транзистор. Как отмечалось выше, линейные стабилизаторы с регулирующим элементом первого типа называются стандартными. Поскольку у остальных типов значение падения напряжения VDROP действительно ниже, то часто под терми-

ном «LDO-регуляторы» понимают линейные регуляторы всех этих типов. Некоторые производители (например, National Semiconductor) третий тип выделяют в группу т.н. «квазиLDO», подчеркивая тем самым, что они занимают промежуточное положение между стандартными линейными регуляторами 78хх и собственно LDO. Также иногда, говоря о четвертом и пятом типах, добавляют «LDO на MOS-транзисторах». Иными словами, разные производители одним и тем же термин могут обозначать регуляторы разных типов и, наоборот, один и тот же тип регуляторов именовать по-разному. Но поскольку предметом статьи являются линейные регуляторы STMicroelectronics, то разумно, по крайней мере, в рамках данной статьи, пользоваться терминологией этой фирмы, имея в виду, что: – стандартные стабилизаторы используют в качестве регулирующего элемента npn-транзистор (т.е. тип 1); – LDO-регуляторы используют одиночный npnтранзистор (т.е. тип 3); – vLDO-регуляторы используют одиночный pnpтранзистор или полевые транзисторы (т.е. типы 2, 4 и 5).

выводов, но имели лучшие параметры, по сравнению с семействами L78xx. Номиналы выходных напряжений в таблице 1 приведены из [2], однако следует иметь в виду, что с течением времени этот перечень может претерпевать изменения. Данные серии также выпускаются многими производителями, и числовые коды 1084—1086, 1117 (возможно с другими префиксами) являются общепринятыми среди производителей электронных компонентов. РЕГУЛЯТОРЫ С ОЧЕНЬ МАЛЫМ ПАДЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ (VLDO)

Рассматривая номенклатуру vLDO-регуляторов компании STMicroelectronics, целесообразно условно выделить мощные регуляторы (с максимальным током нагрузки от 0,5 А) и маломощные — с током в нагрузке 50…300 мА. Рассмотрим мощные vLDO-регуляторы, номенклатура и технические характеристики которых представлены в таблице 2. В первую очередь, имеет смысл выделить две основные серии: LD29yy0 и LD39yy0. В обозначениях: yy — максимальный нагрузочный ток (например, 30...3 А; 5...0,5 А). Стабилизаторы семейства LD29yy0 характеризуются, во-первых, широким диапазоном входных напряжений. Соответственно, и диапазон выходных напряжений достаточно широк — до 8…9 В для микросхем с фиксированным выходным напряжением и до 6…15 В — для стабилизаторов с регулируемым выходом. С этой точки зрения, они в большей степени, чем остальные семейства, могут рассматриваться как замена стандартных и LDO-регуляторов. Однако, по сравнению с остальными семействами vLDO-регуляторов, для них характерно большее значение падения напряжения и большее значение собственного тока. Регуляторы семейства LD39yy0 ориентированы на работу в системах с низковольтной нагрузкой — входное напряжение не превышает 6 В, а выходное — до

РЕГУЛЯТОРЫ С МАЛЫМ ПАДЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ (LDO)

Номенклатура и технические характеристики LDOрегуляторов компании STMicroelectronics представлены в таблице 1. Как уже отмечалось, в линейных стабилизаторах этих серий в качестве регулирующего элемента используется одинарный npn-транзистор. За счет этого падение напряжения уменьшено до 1,1…1,3 В. По сравнению со стандартными регуляторами, также повышена точность установки выходного напряжения. Микросхемы выполнены по стандартной 3-выводной схеме — VIN, VOUT, GND (или ADJ для стабилизаторов с регулируемым выходным напряжением) и, в целом, были предназначены для замены стандартных регуляторов, поскольку обеспечивали совместимость по корпусам и цоколевке

Таблица 1. Номенклатура и характеристики LDO-регуляторов компании STMicroelectronics Изделие

Ток нагрузки, А

Падение напряжения, В

LD1084

5,0

1,30

LD1085

3,0

1,30

LD1086

1,5

1,30

LD1117A

1,0

LD1117

0,8

Выходное напряжение, В

Макс. входное Собств. Точность, % напряжение, В ток, мА

1,5

1,8

2,5

2,85

3,3

3,6

5,0

8,0

9,0

12,0

Adj.

3,0

1,15

1,10

V V

Таблица 2. Номенклатура и характеристики мощных vLDO-регуляторов компании STMicroelectronics Изделие

Ток нагрузки, А

Падение напряжения, В

Макс. входное Точность, Собств. напряжение, В % ток, мА

LD1580

7,0

0,40

1,0

LD29300

3,0

0,40

1,0

45,0

LD39300

3,0

0,20

1,5

1,2

LD29150

1,5

0,40

3,0

30,0

LD39150

1,5

0,20

1,5

1,0

LD49150

1,5

0,20

1,5

4,0

LD39100

1,0

0,20

2,0

0,2

LD29080

0,8

0,40

1,0

14,0

LD39080

0,8

0,15

1,5

1,0

KFxxB

0,5

0,40

2,0

12,0

LD39050

0,5

0,20

2,0

0,2

LFxxAB

0,5

0,40

1,0

12,0

Выходное напряжение, В 0,8

1,0

1,2

1,5

3,3

V V

5,0

6,0

8,0

9,0 12,0 Adj.

V V

3,0

V V

2,5

V V

1,8

V V

Электронные компоненты №3 2010

3,3 В для фиксированных напряжений. С другой стороны, регуляторы этой серии имеют вдвое меньшее (по сравнению с регуляторами LD29yy0) падение напряжения, существенно меньшее значение собственного тока и могут быть использованы в системах распределенного электропитания в качестве источников питания Point-ofLoad (PoL). Серия LD49150 по основным параметрам сравнима со своим прототипом LD39150, но поддерживает низковольтные напряжения 0,8…1,0 В. Серии KFxxB и LFxxAB ориентированы на работу в широком диапазоне входных напряжений. Они не имеют исполнений с регулируемым выходным напряжением, однако номенклатура фиксированных номиналов включает не только широко распространенные номиналы, но и довольно редко используемые. Также возможно исполнение стабилизаторов с произвольным значением номиналов выходного напряжения (с шагом 0,1 В) на заказ. Серия LD1580 в определенном смысле является исключением. Как правило, и линейные, и импульсные стабилизаторы с высокими токами нагрузки (в данном случае до 7 А) исполняются в виде контроллеров, т.е. используется внешний проходной (коммутирующий — для импульсных регуляторов) транзистор, тип и параметры которого разработчик выбирает самостоятельно. Кроме того, прочие производители выполняют стабилизаторы с токами нагрузки выше 5 А по технологии «квази-LDO». В случае LD1580 имеет место LDO-стабилизатор без каких-то оговорок — в качестве проходного транзистора используется одинарный pnp-транзистор (тип 2 на рисунке 1). Тем не менее отметим, что технические параметры этой серии соответствуют уровню весьма высоких для отрасли образцов. Подводя промежуточный итог, отметим: по сравнению с регуляторами «квази-LDO», падение напряжения для vLDO-регуляторов с широким диапазоном входных напряжений снижено примерно в 3 раза, а для регуляторов с низковольтным входным напряжением — примерно в 6 раз. Далее рассмотрим номенклатуру маломощных vLDOрегуляторов, характеристики которых сведены в таблицу 3. Анализируя таблицу 3, можно сделать вывод: для vLDOрегуляторов с широким диапазоном входного напряжения значение VDROP снижено до 250 мВ и менее, а для регуляторов с малым входным напряжением — до 150 мВ и менее. Значения собственных токов, за несколькими исключениями, исчисляются в десятках или сотнях мкА. Как следствие,

минимизируется рассеиваемая на регуляторе мощность, что позволяет использовать миниатюрные корпуса, снижая тем самым общие габариты устройств. Кроме того, все vLDO-регуляторы имеют вход отключения нагрузки (Inhibit, Enable, Control и т.д.), и ток собственного потребления в выключенном режиме снимается до единиц мкА. В результате время автономной работы прибора при питании от батарейного источника может быть значительно увеличено. Из серий с малым входным напряжением следует выделить LD39015 и LD39115 с минимальными значениями падения напряжения и тока собственного потребления. Совокупность этих параметров делает эти регуляторы оптимальным решением для мобильных устройств с батарейным питанием. Высокие точностные характеристики серии LD2980 позволяют их использовать в качестве источников питания отдельных прецизионных аналоговых микросхем (например, Point of Load). Отметим также, что в маломощных vLDO-стабилизаторах практически не используются варианты с регулируемым выходным напряжением. За редким исключением, в этом нет необходимости, поскольку номинальные значения серий LD2985, LD3985 перекрывают не только типовые номиналы, но и многие достаточно экзотические значения. Опять же отметим, что большое количество возможных номиналов выходных напряжений, постоянное появление модификаций с новыми значениями сделали нецелесообразным перечисление их всех в таблицах 2 и 3. Полный спектр имеющихся модификаций приведен в [2] и на сайте компании производителя www.st.com. МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЛИНЕЙНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ

Рассмотренные выше линейные регуляторы имели универсальный характер, т.е. область их применения изначально была не определена (хотя совокупность их параметров, возможно, делала эти регуляторы весьма приемлемыми для отдельных приложений). Наряду с универсальными регуляторами компания STMicroelectronics выпускает регуляторы под конкретные приложения, а именно: – линейные регуляторы для LNB-конверторов (LNB — Low Noise Block) спутниковых антенн (семейства LNBK и LNBP); – регуляторы для зарядных устройств аккумуляторных батарей;

Таблица 3. Номенклатура и характеристики маломощных vLDO-регуляторов компании STMicroelectronics

Изделие LD3980

Падение Макс. входТок нагрузСобств. напряже- ное напря- Точность, % ки, А ток, мА ния, В жение, В 0,3

0,13

1,0

0,1

Выходное напряжение, В 0,8

1,2

1,5

1,8

2,5

2,8

3,0

3,3

3,5

LDS3985

0,3

0,40

3,0

0,2

0,25

0,40

1,0

4,0

LD2985

0,15

0,28

1,5

2,0

LD3985

0,15

0,10

3,0

0,17

LD39015

0,15

0,08

2,0

0,04

LD39115

0,15

0,08

2,0

0,04

LD2981

0,1

0,17

0,8

1,0

LExxAB

0,1

0,20

1,0

1,5

LK115

0,1

0,20

3,0

0,3

LM2931

0,1

0,25

3,0

2,5

LD2979

0,05

0,20

2,0

0,5

LD2980

0,05

0,12

0,5

WWW.ELCP.RU

4,7

5,0

12,0 Adj.

L4931xxAB

4,0

V V

Рис. 2. Регулятор постоянного напряжения и регулятор постоянного тока

– линейные регуляторы — драйверы мощных светодиодов (серии STC, STBC). Последние рассмотрим более подробно. В этой линейке компания STMicroelectronics предлагает три микросхемы: STCS05, STCS1 и STCS2 (а также их модификации с суффиксом A), которые обеспечивают стабилизацию тока, соответственно, 500 мА, 1 и 2 А. Известно, что светодиод является электронным прибором, который управляется величиной протекающего через него тока. Стабилизатор (как линейный, так и импульсный) с регулируемым выходным напряжением можно использовать в качестве источника стабилизированного тока для светодиода, если вместо верхнего резистора в делителе включить светодиодную нагрузку, что иллюстрируется рисунком 2. Рисунки 3 и 4 иллюстрируют, соответственно, функциональную схему регуляторов серии STCS и типовую схему их включения. В первую очередь, обратим внимание на следующее. В традиционных линейных регуляторах проходной транзистор включен между выводами VIN и VOUT. А светодиодная нагрузка (см. рис. 2) — между выходом VOUT и выводом цепи обратной связи FB. На рисунках 3 и 4 ситуация обратная — светодиодная нагрузка включена между выводами VIN и DRAIN (выполняет функцию VOUT), а проходной транзистор — между выводами DRAIN и FB. Это не имеет существенного значения, поскольку и в первом, и во втором случаях транзистор и светодиодная нагрузка включены последовательно. Как и на рисунке 2, резистор RFB задает величину стабилизированного тока, протекающего через светодиодную нагрузку. Формула зависимости тока, протекающего через светодиоды, от номинала резистора приведена в [3]. Вход EN выполняет функцию разрешения работы стабилизатора. Низкий уровень сигнала на этом входе отключает стабилизатор от нагрузки. Для полного включения светодиода (естественно, с учетом номинала резистора RFB) на вход PWM подается постоянный высокий уровень. При необходимости диммирования (управления световым потоком) — ШИМ-сигнал, причем его скважность пропорциональна излучаемому световому потоку. Выход DISK является признаком нормальной работы стабилизатора (по аналогии с PowerGood). Какие возможности предоставляют данные драйверы? Известно, что светодиод номинальной мощностью 1 Вт питается током 350 мА. Светодиоды мощностью 3 и 5 Вт питаются током порядка 800 и 1200 мА, соответственно. Следовательно, микросхемы STCS05, SNCS1 и STCS2 в первую очередь предназначены для работы с цепочками 1-, 3- и 5-Вт светодиодов. Число светодиодов, последовательно включенных в цепочку, определяется значением прямого напряжения на светодиоде (для белых светодиодов — в диапазоне 3,2…4,0 В) и значением входного напряжения. Естественно, что при достаточной величине тока несколько аналогичных цепочек можно включить параллельно.

Рис. 3. Функциональная схема линейных регуляторов серии STCS

Рис. 4. Типовая схема включения линейных регуляторов серии STCS ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассматривая линейные регуляторы компании STMicroelectronics, нельзя не заметить преемственность в переходе от предыдущей линейки к следующей: сначала от стандартных регуляторов к LDO, затем от LDO к vLDO. В ряде случаев это если и не прямая замена, то замена с минимальными затратами сил и времени. В номенклатуре STMicroelectronics минимальное количество изделий с дополнительными функциями (контроль входного питания, флаг ошибки, управление сбросом микросхем нагрузки и т.д.). Упор делается на улучшение ключевых параметров, минимизацию рассеиваемой мощности, переход на корпуса с минимальными размерами. Образцы и опытные партии линейных регуляторов напряжения всегда можно приобрести со склада компании КОМПЭЛ www.compel.ru. Москва: тел.(495) 9950901, E-mail: msk@compel.ru, Санкт-Петербург: (812) 3279404, E-mail: spb@compel.ru ЛИТЕРАТУРА 1. Обзор линейных стабилизаторов напряжения LDO-типа фирмы National Semiconductor//Электроника-инфо. № 4—6. 2006. 2. Linear and switching voltage regulators. Документ sglinreg0907.pdf компании STMicroelectronics//www.st.com/stonline/ products/promlit/pdf/sglinreg0907.pdf. 3. STCS1. 1.5 A max constant current LED driver. Документ stcs1. pdf компании STMicroelectronics//www.st.com/stonline/products/ literature/ds/13415/stcs1.pdf.

Электронные компоненты №3 2010

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ДРАЙВЕРЫ УМЕНЬШАЮТ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ И УПРОЩАЮТ РАЗВОДКУ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ В ПОРТАТИВНЫХ СИСТЕМАХ КЕН МАРАСКО (KEN MARASCO), менеджер технической поддержки, Analog Devices В статье описаны основные принципы снижения энергопотребления в современных портативных устройствах. На примере интеллектуального драйвера подсветки дисплея показано, как увеличить энергоэффективность системы и, в то же время, обеспечить выполнение различных функций управления дисплеем, а также упростить конструкцию печатных плат. Статья представляет собой перевод [1]. Продолжается бурное развитие портативных электронных устройств. Каждое новое поколение этих продуктов включает в себя все больше функций. Требования к периферийным блокам этих устройств становятся все более универсальными, т.к. источники питания, порты и интерфейсы человекмашина используют одинаковые принципы. КАК ДОБИТЬСЯ НИЗКОГО ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ ПОЛНОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

МОБИЛЬНЫЕ УС ТРОЙС ТВА

С увеличением количества функций и ростом производительности этих систем возрастает необходимость управления мощностью рассеяния по нескольким причинам. 1. С ростом функциональной плотности этих устройств растет также рассеиваемая мощность. Успехи технологии производства полупроводников позволяют отчасти смягчить данную тенденцию, но только этого недостаточно. 2. Несмотря на расширение функциональности этих устройств, рынок требует уменьшить их габариты, что также увеличивает плотность рассеиваемой мощности. Возникают ограничения, связанные с требованиями к интерфейсу человек-машина и определяемые стандартами, которые регулируют механическую и электрическую надежность приборов. 3. С уменьшением габаритных размеров устройств уменьшается также доступное пространство для размещения источников питания. Несмотря на успехи в развитии технологий батарей, особенно литиево-ионных, ограничение доступного пространства не позволяет OEM-производителям существенно увеличить емкость элементов питания.

WWW.ELCP.RU

Подходы OEM-производителей к снижению энергопотребления продуктов также претерпели изменения. Можно выделить несколько уровней стратегии компаний в этой области. Стратегия первого уровня заключается в увеличении эффективности подсистемы управления мощностью, включая минимизацию потерь в DC/DC-преобразователях, LDOстабилизаторах, а также схемах управления и защиты батарей. Данный подход зависит в основном от способности вендоров полупроводниковых приборов производить компоненты и интегральные схемы, которые рассеивают меньше мощности, чем другие подобные устройства. В результате инженеры OEM-компании вынуждены идти на компромисс между энергоэффективностью компонентов, их стоимостью и размером корпуса. Несмотря на то, что эта стратегия поначалу была довольно эффективна, рынок компонентов, по большей части, уже реализовал возможности в данном направлении. Как и в случае с аналоговыми и аналого-цифровыми микросхемами, компоненты, появившиеся в итоге применения данной стратегии, не получили того значительного преимущества при переходе на новые технологические нормы и масштабировании кристалла, какое приобрели цифровые схемы. Стратегия второго уровня заключается в отключении питания части системы или микросхемы, которая не используется в текущий момент времени. Эта стратегия была особенно эффективна для крупных потребителей энергии, таких как РЧ-устройства или блоки подсветки дисплея, но также позволяет увеличить время работы устройства на одной зарядке путем отключения даже такой умеренной нагрузки как звуковая

подсистема, порты ввода/вывода или энергонезависимая конфигурационная память. Например, выпускающиеся в настоящее время мобильные телефоны имеют 20 и более отдельных областей питания. Помимо снижения рассеиваемой мощности за счет переключения в дежурный режим наиболее мощных схем, данный подход помогает уменьшить рассеиваемую мощность в статическом режиме, когда система отключает тактируемую часть схемы. Поскольку технология изготовления интегральных схем постоянно совершенствуется в направлении уменьшения минимальных размеров элементов, эта стратегия успешно заменила метод управления тактового сигнала для снижения токов потребления в статическом режиме. Данная стратегия зависит от совместных усилий разработчиков системной архитектуры, программистов и поставщиков ASIC. Несмотря на достигнутые успехи, этот подход был в некоторой степени ограничен ростом числа дополнительных функций, реализуемых в приложении. Он вынуждал разработчиков использовать все более мощные и энергоемкие вычислительные ресурсы. Например, сотовые телефоны перешли с процессоров ARM-7 на ARM-9 и ARM-11 для увеличения ресурсов контроллера широкополосного доступа и решения вспомогательных задач. Подобная тенденция наблюдается и в отношении других портативных устройств. Стратегия третьего уровня направлена на снижение энергии, используемой различными функциональными блоками без ущерба для производительности. Один из таких методов заключается в применении интеллектуального управления функциями,

которые, например, не требуют значительных вычислительных ресурсов процессора широкополосного доступа или процессора приложений. Эта стратегия позволяет процессору передавать многие свои функции полуавтономным периферийным контроллерам. В результате необходимость использования полных вычислительных ресурсов процессора уменьшается, и его переход из дежурного в рабочий режим происходит значительно реже. Примером такого подхода служит интеллектуальный драйвер подсветки дисплея. РОЛЬ МИКРОУПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ПОДСВЕТКИ ДИСПЛЕЯ

Пользователям портативных электронных устройств важно, чтобы экран дисплея обеспечивал отчетливое отображение информации в широком диапазоне условий внешнего освещения. В современных портативных устройствах для реализации этого используется фотодиод или фототранзистор, который измеряет уровень внешнего освещения как входной параметр для управления драйвером подсветки. Фотодатчику требуются цепи формирования сигнала: постоянное смещение для возбуждения датчика, схемы усиления и аналого-цифрового преобразования или, как минимум, один или два уровня порогового детектирования. Главный процессор контролирует выходной сигнал фотодатчика с периодичностью цикла преобразования данных через аналоговые порты ввода/ вывода кристалла или внешние схемы. Это происходит с частотой от одного до нескольких циклов преобразования в секунду. Затем контроллер считывает результаты преобразования и определяет один из трех уровней освещенности, соответствующих условиям

дневного освещения, хорошо освещенного помещения и тусклого освещения, например в гостиной, ресторане или ночном клубе. Далее процессор формирует управляющие сигналы для драйвера подсветки, который обеспечивает один из трех возможных уровней тока для питания цепочки светодиодов. Это и есть одна из форм микроуправления, т.е. центральный энергоемкий процессор передает часть своих функций другим блокам системы с меньшими эксплуатационными расходами. Такой подход обеспечивает тройную выгоду: снижение энергопотребления, уменьшение числа компонентов и упрощение разводки печатной платы. Ниже перечислены основные преимущества этой стратегии. ВЫИГРЫШ 1: ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ДРАЙВЕРЫ РАЗГРУЖАЮТ ПРОЦЕССОР

Измерения показывают, что интеллектуальный драйвер подсветки ADP5520 обеспечивает экономию энергопотребления при управлении от микроконтроллера и, в то же время, работает автономно при управлении подсветкой дисплея. Драйвер ADP5520 содержит асинхронный повышающий преобразователь, программируемый блок управления подсветки, в зависимости от интенсивности внешнего освещения, конечный автомат и конфигурируемый расширитель порта, который обеспечивает дополнительную экономию ресурсов системы. Повышающий преобразователь способен управлять токами шести белых последовательно соединенных светодиодов, падение напряжения на которых составляет 24,5 В при управляющем токе 30 мА. Блок измерения интенсивности внешнего освещения

ВЫИГРЫШ 2: ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ДРАЙВЕРЫ ОБЕСПЕЧИВАЮТ НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ФУНКЦИИ

Кроме энергосбережения, интеллектуальные драйверы способны реализовать другие функции управления периферией, не требующие высокой производительности. Например, ADP5520 содержит конфигурируемый расширитель порта, который обеспечивает восемь линий ввода/вывода. В данном устройстве две линии ввода/вывода можно объединить с третьим специализированным выводом в качестве независимого источника тока для светодиодов, который обеспечивает программируемую регулировку яркости подсветки, включение/отключение и режим мерцания (см. рис. 3).

Электронные компоненты №3 2010

57 МОБИЛЬНЫЕ УС ТРОЙС ТВА

Рис. 1. Интеллектуальный контроллер подсветки экономит энергию за счет разгрузки главного процессора. Контроль уровня внешней освещенности дополнительно повышает энергоэффективность системы

обеспечивает преобразование уровней сигналов датчика света и, работая совместно со встроенным конечным автоматом и повышающим контроллером, 128 уровней тока через светодиод в диапазоне 0…30 мА. При выполнении процессором только сервисных функций контроля освещенности, ADP5520 обеспечивает 15-% увеличение времени работы на одной зарядке батареи при тестировании, моделирующем различные варианты эксплуатации сотового телефона (см. рис. 1). Включение этапа измерения уровня внешней освещенности в процесс управления, используемый драйвером ADP5520, улучшает время работы в дежурном режиме на одной зарядке на 50%, по сравнению с исходным режимом работы. Приведенные кривые характеризуют варианты эксплуатации сотового телефона, в которых не требуется работа РЧ-блока, например, такие как игры, просмотр и составление текстовых сообщений или режим фотоаппарата. Часто разработчикам необходимо реализовать функцию постепенного изменения яркости дисплея вместо переключения уровня подсветки. Для выполнения этой задачи требуется активное взаимодействие блоков управления подсветкой с процессором, что значительно увеличивает его загрузку по сравнению с включением/отключением подсветки. Интеллектуальный драйвер светодиодов ADP5520 способен реализовать различные законы изменения тока светодиода, включая линейный, квадратичный и кубический, что в еще большей мере снижает загрузку процессора (см. рис. 2). Драйвер конфигурируется с помощью дискретных значений времени увеличения и уменьшения яркости в диапазоне 300 мс…5,5 с. Встроенный таймер регулировки яркости со сбросом программируется на один из 15 интервалов в диапазоне 10…120 с.

Остальные выводы можно запрограммировать в качестве кнопок клавиатуры или как линии ввода/вывода общего назначения. Эти дополнительные драйверы обеспечивают ток 0…14 мА и 64-шаговую регулировку яркости. Как и основной источник тока, вспомогательные драйверы обеспечивают управление включением/отключением или плавную регулировку яркости подсветки по линейному или нелинейному законам. ВЫИГРЫШ 3: ПРИМЕНЕНИЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ДРАЙВЕРОВ УМЕНЬШАЕТ ЧИСЛО ПРОВОДНИКОВ НА ПЛАТЕ

Рис. 2. Интеллектуальный драйвер светодиодов ADP5520 способен реализовать несколько кривых изменения яркости подсветки без участия процессора

Рис. 3. Две линии ввода/вывода драйвера ADP5520 можно запрограммировать в качестве источника тока для индикаторных светодиодов. Вместе со специальным источником тока каждый из этих выводов обеспечивает ток не менее 14 мА и реализует простое включение/отключение или 64-шаговую регулировку яркости подсветки

Интерфейс I2C реализован для передачи конфигурационных данных от процессора к интеллектуальному драйверу и обратной пересылки в процессор данных состояния; для информации с портов ввода/вывода или сигнала о нажатии на клавишу в ADP5520. Это дает возможность упростить топологию печатной платы в портативных электронных приборах за счет уменьшения числа компонентов и проводников между периферией и контроллером. Экономия числа межсоединений еще больше в случае, когда в сотовом телефоне используется поворотный или ползунковый механизм сопряжения, который разделяет дисплей, индикаторы и клавиатуру от процессора. В этом случае интеллектуальный драйвер светодиодов со встроенным расширителем порта может существенно уменьшить размеры и стоимость гибкого кабеля, соединяющего части устройства (см. рис. 4). ЛИТЕРАТУРА 1. Ken Marasco. Smart drivers reduce energy use and PCB clutter in portable electronic systems//www.planetanalog.com.

МОБИЛЬНЫЕ УС ТРОЙС ТВА

Рис. 4. Расширение порта драйвера ADP5520 позволяет уменьшить число линий, соединяющих драйвер с процессором, для реализации простого интерфейса. Такой подход обеспечивает снижение затрат при передаче сигналов через поворотный или ползунковый механизм сопряжения частей устройства (например, в сотовом телефоне)

WWW.ELCP.RU

DC/DC-преобразователи PEAK в SMD-корпусах для портативных и мобильных приборов СЕРГЕЙ КРИВАНДИН, техн. руководитель направления «Источники питания», «Компэл» АНДРЕЙ КОНОПЕЛЬЧЕНКО, инженер-консультант, «Компэл» Монтаж SMD-компонентов на поверхность печатной платы позволяет уменьшить ее размеры и объем переносного прибора. Компания PEAK Electronics предлагает для поверхностного монтажа DC/DC-преобразователи серий PSD, PEV, PES мощностью 0,25...3 Вт, импульсные стабилизаторы PSRS-78 с выходом 3,3...15 В и модульные драйверы светодиодов PLED-SD для применения в составе мобильных портативных приборов.

На платах портативных и переносных приборов широко используются компоненты для поверхностного монтажа, поскольку SMD-компоненты, как правило, имеют меньшие размеры и массу, по сравнению с компонентами с выводами для монтажа в отверстия. Кроме того, печатные платы для поверхностного монтажа имеют повышенную плотность размещения электронных элементов, а при установке компонентов с двух сторон платы можно уменьшить ее площадь и, в результате, объем конечного изделия. За счет SMD-монтажа снижается себестоимость из-за небольшой площади платы, автоматизированной сборки и меньшего количества используемых материалов. Для поверхностного монтажа компания PEAK Electronics выпускает следующие преобразователи напряжения в SMD-корпусах: – DC/DC-преобразователи мощностью 0,25...3 Вт; – импульсные стабилизаторы PSRS-78 с выходным током 0,5 А; – DC/DC-драйверы светодиодов PLED-SD со стабилизированным выходным током 300...700 мА. Изделия PEAK соответствуют требованиям директивы по содержанию вредных веществ RoHS, что обозначено суффиксом LF в маркировке на корпусе и в конце наименования изделия.

Выпускаются изделия с разными вариантами электрической прочности изоляции вход-выход: 1; 1,5 или 3 кВ постоянного тока. Наименования серий и основные параметры преобразователей приведены в таблице 1, а внешний вид — на рисунке 1. Для удобства разработчиков в таблице приведены аналоги DC/DC-преобразователей других популярных производителей. Мощность преобразователей серий PSDy, PMA, PME с «узким входом» Uвх±10% может быть 0,25; 0,5 или 1 Вт. Изделия серий PSDy имеют одинаковое расположение и назначение выводов и рисунок контактных площадок на печатной плате. Это удобно, т.к. в вариантном исполнении аппаратуры можно ставить DC/DC-преобразователи разной мощности на одно и то же место унифицированной печатной платы. Новое поколение серий PMA, PME отличается от других серий DC/DC-преобразователей PEAK мощностью 1 Вт наличием всех выводов, что обеспечивает большую механическую прочность и большую надежность при пайке выводов преобразователя к контактным площадкам. Преобразователи серий PES2 и PES3 мощностью 2 или 3 Вт, соответственно, выпускаются в одном и том же корпусе, имеют «широкий» вход 2:1 и стабилизированное выходное напряжение. Повышенную электрическую прочность изоляции входвыход 3 кВ постоянного тока имеют преобразователи серий PSD/EH30 и PEV3. В составе серии PEV3 имеются модели как с однополярным, так и с двуполярным выходами. Следует отметить, что рассматриваемые преобразователи напряжения не предназначены для работы без нагрузки: необходимо обеспечить ток нагрузки не менее 10% от максимальных значений для каждой модели, указанных в фирменном описании (data sheet) изделия. Все обсуждаемые DC/DC-преобразователи (см. табл.1) имеют имеют стандартные для этого класса продукции электрические параметры, назначение и расположение выводов. Применение этих преобразователей — универ-

DC/DC-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ PEAK В КОРПУСАХ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОГО МОНТАЖА

DC/DC-преобразователи PEAK в корпусах для поверхностного монтажа выпускаются в диапазоне мощностей 0,25...3 Вт с однополярным или двуполярным выходом. Варианты входного напряжения: 3,3…24 В. Преобразователи имеют достаточно высокий КПД 78—80% и не требуют дополнительного охлаждения во всем диапазоне рабочих температур –40...85°C. Все компоненты на печатной плате преобразователя внутри его корпуса установлены методами поверхностного монтажа.

а)

б)

в)

Рис. 1. Внешний вид преобразователей напряжения PEAK для поверхностного монтажа: а) серия PSD; б) серия PMA/PME; в) серия PES

Электронные компоненты №3 2010

сальное: они используются в любой радиоэлектронной аппаратуре для получения другого номинала питающего напряжения, гальванической развязки цепей, реализации двуполярного напряжения относительно средней точки, стабилизации напряжения питания (серия PES). ИМПУЛЬСНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ PSRS-78 С ВЫХОДНЫМ ТОКОМ 0,5 А

Для стабилизации напряжения питания микроконтроллеров, микропроцессоров, ПЛИС применяются импульсные стабилизаторы: изделия с широким входом и высоким КПД. В SMD-корпусе PEAK Electronics выпускает серию PSRS-78xxLF (см. табл. 2). Основные параметры преобразователей серии PSRS-78xxLF: – выходной ток 500 мА; – ряд выходных напряжений 3,3; 5; 12 или 15 В; – дистанционное включение/выключение; – подстройка выходного напряжения; – широкий вход до 28 В; – точность установки выходного напряжения ±2% (типовое значение); – высокий КПД 90—96%; – защита от короткого замыкания.

Импульсные стабилизаторы имеют высокий КПД, низкое собственное энергопотребление, не нуждаются в радиаторе, занимают мало места на плате, что очень востребовано в портативных приборах и устройствах с батарейным питанием. Преобразователи PSRS-78xxLF работают в диапазоне температур –40…71°C без ограничения выходной мощности и не требуют специальных мер по отводу тепла. Типовая схема включения PSRS-78xxLF приведена на рисунке 2. В устройствах с батарейным питанием следует отключать неиспользуемые в текущем режиме работы цепи. Стабилизатор PSRS-78 и питаемые им цепи можно выклю-

Рис. 2. Типовая схема включения импульсного стабилизатора PSRS-78

Таблица 1. Параметры DC/DC-преобразователей PEAK в SMD-корпусах для портативных приборов Тип корпуса, (размеры)

Серия

PSDV PSDL

PSD

PME* PSD/EH30 PMA*

Pвых., Вт

SMD 8 (12,7×7,5×6,3 мм) SMD 8 (12,8×8,2×7,3 мм) SMD 8 (1 выход) (12,7×7,5×6,3 мм) SMD 10 (двуполярный выход) (15,24×7,5×6,5 мм) SMD 8 (12,7×7,5×6,3 мм) SMD 8 (12,7×7,5×6,3 мм) SMD 12 (15,24×7,5×6,5 мм)

0,25 0,5

Варианты входного Варианты выходного напряжения, В напряжения, В DC/DC-преобразователи с «узким» входом Uвх±10% Суффикс E: 3,3; 5; 9; 12; 15 5; 12; 24 Суффикс S: 5; 9; 12; 15 Изоляция, кВ

1 3,3; 5; 12; 24

PEV3

SMD 12 (15,24×7,5×6,5 мм)

PES2

SMD 16 (23,86×13,70×8,0 мм)

PES3

SMD 16 (23,86×13,70×8,0 мм)

Аналоги TRACO

AM1/4L-NZ — —

Суффикс E: 3,3; 5; 9; 12; 15; 24 Суффикс Z: ±5; ±9; ±12; ±15; ±24

Один выход: 3,3; 5; 9; 12; 15; 24 Суффикс E: 3 3,3; 5; 12 3,3; 5; 9; 12; 15 Двуполярный выход: 1 5; 12; 24 ±5; ±9; ±12; ±15; ±24 Суффикс E: 3,3; 5; 9; 12; 15 3 3,3; 5; 12 Суффикс Z: ±5; ±9; ±12; ±15 DC/DC-преобразователи с «широким» входом 2:1 Суффикс E: 9...18 (12 В); 3,3; 5; 9; 12; 15 1,5 18...36 (24 В) Суффикс Z: ±5; ±12; ±15 Суффикс E: 9...18 (12 В); 3,3; 5; 9; 12; 15 1,5 18...36 (24 В); Суффикс Z: 36...72 (48 В) ±5; ±12; ±15

Аналоги Aimtec

TES 1

AM1L-NZ

—

AM1L-S-NZ

—

AM1L-D-NZ

TES 1V

AM1L-H30-NZ

TES 2N

AM2LV-NZ

TES 3 (другой корпус)

—

* Особенность корпуса — наличие всех 8 или 12 выводов, соответственно, что увеличивает механическую прочность и надежность конструкции.

Таблица 2. Варианты моделей импульсных стабилизаторов PSRS-78 в SMD-корпусе с выходным током 500 мА компании PEAK Фото

WWW.ELCP.RU

Наименование

Uвых., В

Диапазон подстройки Uвых., В

Uвх., В

КПД при Uвх. макс,%

PSRS-783R3LF

3,3

1,8...5,5

4,5...28

PSRS-7805LF

2,5...8,0

6...28

PSRS-7812LF

4,5...13,5

14...28

PSRS-7815LF

4,5...15,5

17...28

чать и включать дистанционно, используя вывод 10 «ON/OFF». Потребление по цепи управления невелико и составляет 2 мкА. В выключенном состоянии основные цепи преобразователя PSRS-7805LF потребляют из входной цепи постоянного тока 15 мА.

DC/DC

ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ

Рассмотрим примеры применения DC/DC-преобразователей для гальванической развязки узлов, преобразования или стабилизации напряжения. Обобщенная структурная схема измерительного прибора приведена на рисунке 3. В ней АЦ — аналоговая цепь, которая может содержать датчики, операционные усилители (ОУ) и другие аналоговые устройства; АЦП — аналого-цифровой преобразователь; ЦИ — цифровой изолятор, ЦЦ — цифровая цепь; DC/DC-преобразователь постоянного напряжения; ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь. Гальваническую развязку цифровых сигналов обеспечивает цифровой изолятор. Ему необходимо два напряжения питания, гальванически развязанных между собой, что осуществляет DC/DC-преобразователь напряжения. В приборе, как правило, имеется лишь один источник напряжения: шина питания или аккумуляторная батарея, а в каждом узле — свое напряжение питания. И развязку по питанию, и преобразование напряжения батареи в напряжение питания интегральных схем можно осуществить с помощью компактных маломощных DC/DC-преобразователей с изоляцией «входвыход». Типичные значения напряжений питания ОУ, АЦП и ЦАП, источников опорного напряжения (ИОН), интегральных схем гальванической развязки и возможные серии преобразователей PEAK приведены в таблице 3. Выходное напряжение аккумуляторной батареи со временем уменьшается, а для питания микропроцессора требуется стабильное напряжение, которое желательно получить с низкими потерями при преобразовании. Эту двойную задачу можно решить, применив импульсные стабилизаторы (DC/DC-преобразователи без развязки «вход-выход») серий PSRS-78xxLF, PSR78xxLF (0,5 А) или PSR1-78xxLF (1 А), которые обладают высоким КПД до 96% и не требуют дополнительного отвода тепла. Кроме того, эти преобразователи имеют ультраширокий вход (см. табл. 2) и при разряде батареи обеспечивают стабильное напряжение питания микропроцессора. DC/DC-преобразователи используются также в распределенных системах питания для получения напряжения питания платы и развязки отдельных плат между собой. Обобщенная структурная схема такой системы приведена на рисунке 4. На нем У — узел устройства, n — номер узла. При практической реализации этой схемы DC/DC-преобразователи должны располагаться на одной печатной плате с устройством. Это позволяет увеличить надежность и устойчивость к помехам и уменьшить потери в системе питания. В компактных электронных устройствах можно использовать различные комбинации обсуждаемых DC/DC-преобразователей.

Рис. 3. Обобщенная структурная схема измерительного прибора

Рис. 4. Структурная схема распределенной системы питания, например, с входным напряжением 24 В МОДУЛЬНЫЕ ДРАЙВЕРЫ СВЕТОДИОДОВ

Для питания светодиода требуется обеспечить постоянство значения протекающего через него тока, величина которого определяется требуемой оптимальной яркостью и цветом свечения светодиода. Главным достоинством модульных драйверов светодиодов является простота применения: они не требуют подключения внешних компонентов и используются по принципу «Включил — и работает». Эта простота дополнительно позволяет разработчику быстро состыковать драйвер со своей схемой управления яркостью свечения светодиодов. Все это ускоряет проектирование нового изделия и увеличивает скорость его выхода на рынок, что является главнейшим условием динамичного развития и устойчивого положения компании в современных условиях. Компания PEAK Electronics выпускает четыре серии модульных DC/DC-драйверов светодиодов PLED, PLED-S и PLED-T в корпусах типа DIP с выходными токами 300…1200 мА и PLED-SD в SMD-корпусе с выходными токами 300…700 мА, в зависимости от модели (см. табл. 4). Основные параметры модулей PLED-SD: – диапазон входного напряжения 5...36 В; – стабилизированный выходной ток; – возможность управления выходным током; – дистанционное включение/выключение; – диапазон рабочих температур –40...85°С или –40...71°С, в зависимости от модели. Модули драйвера PLED и питаемые им светодиоды можно включать и выключать дистанционно, что востребовано в устройствах с батарейным питанием. На вывод Ctrl (Control — управление) подается сигнал с выхода микроконтроллера или с аналогового делителя напря-

Таблица 3. Типичные напряжения питания узлов измерительного прибора и возможные DC/DC-преобразователи PEAK Название элемента ОУ АЦП ЦАП ИОН ИС гальванической развязки

WWW.ELCP.RU

Напряжение питания, В ± 5…20 1,2…8 5…20 1,8…40 2,7…6

DC/DC-преобразователи PEAK PSD-Z, PMA-T, PEV3-Z, PES2-Z, PES3-Z PEV3-E, PSD-E, PME-T, PES2-E, PES3-E PSDL-E, PSDV-E PEV3-E, PSD-E, PME-T, PES2-E, PES3-E

Таблица 4. Варианты моделей драйверов светодиодов PEAK в корпусе для поверхностного монтажа Фото

Наименование

Iвых., мA

PLED-SD-300LF

300

PLED-SD-350LF

350

PLED-SD-500LF

500

PLED-SD-600LF

600

PLED-SD-700LF

700

жения. Потребление по цепи управления не превышает 1 мА. Собственное потребление модуля в ждущем режиме составляет 0,8 мА. Яркостью свечения светодиодов можно управлять через 7-й вывод DIM. На него подают аналоговое управляющее напряжение или сигнал с ШИМ (см. рис. 5). Если функции дистанционного включения/выключения или управления яркостью свечения светодиодов не востребованы в конкретной задаче, соответствующий вывод драйвера можно никуда не подключать. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ PEAK НА САЙТЕ CATALOG.COMPEL.RU

На сайте нашей компании http://catalog.compel.ru представлена информация о поставляемых электронных компонентах и модулях. Сайт содержит подробный каталог и систему параметрического поиска. Для поиска преобразователей напряжения PEAK сначала следует выбрать тип требуемого компонента, например: Источники питания → DC/DC. На экране появится окно, в котором задаются параметры, например, входное напряжение 12 В, производитель (бренд) PEAK. Щелкнув мышью наименование подходящего изделия, можно открыть окно с основными техническими параметрами на русском языке, фирменным описанием произво-

Диапазон Uвых., В

Uвх., В

КПД при Uвх. макс,%

2...32

5,5...36 (24)

Рис. 5. Типовая схема включения драйвера светодиодов PLED-SD

дителя и указанием наличия на складе и цены компонентов в зависимости от запрашиваемого количества. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотренные DC-DC преобразователи компании PEAK можно применить в любом портативном или переносном приборе промышленного или бытового применения: измерителях параметров технологических процессов, материалов, покрытий, бытовых медицинских приборах и т.д. Все упомянутые серии преобразователей поддерживаются на складе в Москве и доступны для применения как в опытных образцах, так и в промышленных партиях мобильных приборов.

НОВОСТИ МУЛЬТИМЕДИА И ТЕЛЕКОМА | ABI RESEARCH ПРОГНОЗИРУЕТ, ЧТО ПРОДАЖИ ПРОДУКТОВ, СВЯЗАННЫХ С ТЕЛЕПРИСУТСТВИЕМ, ДОСТИГНУТ 2,7 МЛРД ДОЛЛ. К 2015 Г. | Телеприсутствие (telepresence) — это видеоконференции на новом технологическом уровне: их участники ощущают, что находятся в одной комнате. Согласно исследованию ABI Research, несмотря на тяжелую экономическую обстановку, продажи аппаратных и программных средств, а также услуг, связанных с технологией телеприсутствия, составили в 2009 г. 567 млн долл. Практически любые компании имеют возможность получить доступ к службам телеприсутствия и видеоконференций. Поставщики этих услуг предлагают персональные и групповые решения по телеприсутствию на базе HD-видео. Расширение возможностей доступа к продуктам и сервисам, связанным с телеприсутствием, является критически важным для поддержания устойчивого роста этого рынка. Другими важными тенденциями развития этого рынка после 2010 г. станут: смена устаревших систем для видеоконференций и расширение совместимости систем телеприсутствия; совершенствование технологии телеприсутствия с помощью использования таких функций как электронные доски (whiteboards), предоставление доступа к документам и использование веб-камер; рост «облачных» услуг, связанных с телеприсутствием, от таких вендоров как Glowpoint, BT Onesource, Verizon и AT&T, а также создание продуктов в области телеприсутствия для мобильных пользователей и таких устройств как ноутбуки и смартфоны. www.russianelectronics.ru | «РОСТЕЛЕКОМ» ПОКРОЕТ РОССИЮ БЕСПРОВОДНЫМИ СЕТЯМИ 4G | «Ростелеком» (входит в состав государственного холдинга «Связьинвест») планирует развернуть мобильные сети четвертого поколения (4G) в 38 регионах России. Напомним, что в феврале-марте дочерние структуры «Связьинвеста» выиграли 39 из 40 лицензий на использование частот в диапазоне 2,3…2,4 ГГц. По условиям конкурсов, эти частоты будут использоваться для развертывания сервисов мобильного широкополосного доступа в Интернет (технологии WiMAX и LTE), а коммерческая эксплуатация сетей должна начаться в течение полутора лет. По словам директора «Ростелекома» Антона Колпакова, компания рассчитывает использовать при построении сетевой инфраструктуры технологию LTE, обеспечивающую пиковую скорость передачи данных от базовой станции на клиентское устройство в 326 Мбит/с. Беспроводные сервисы планируется развернуть на базе единого технологического решения; в настоящее время «Ростелеком» ведет переговоры с проектировщиками с целью оперативной реализации проекта. Вместе с тем г-н Колпаков заметил, что в качестве упрощенного альтернативного варианта рассматривается возможность развертывания сетей по технологии WiMAX. О том, в какие сроки будет начато строительство 4G-сетей, глава «Ростелекома» умолчал. www.russianelectronics.ru

Электронные компоненты №3 2010

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ДРАЙВЕРА СВЕТОДИОДНОЙ СИСТЕМЫ. Часть 2 ВИКТОР АЛЕКСАНДРОВ, техн. консультант, ИД «Электроника»

В Части 2 статьи рассмотрены особенности построения и применения повышающих и понижающе-повышающих драйверов светодиодов, а также другие топологии драйверов (SEPIC, преобразователь Кука). Описаны основные методы регулировки яркости свечения светодиодов и особенности их реализации в различных топологиях драйверов. ПОВЫШАЮЩИЕ И ПОНИЖАЮЩЕПОВЫШАЮЩИЕ ТОПОЛОГИИ ДРАЙВЕРОВ СВЕТОДИОДОВ

С В Е ТОТ Е Х Н И К А И О П ТОЭЛ Е К Т РО Н И К А

В таких приложениях как освещение садовых дорожек или замена ламп накаливания типа MR16 чаще всего используется несколько светодиодов или всего один. Наиболее распространенные напряжения для систем низковольтового освещения — 12 ВDC, 24 ВDC и 12 ВAC. Эти приложения часто используют понижающий стабилизатор1. Однако топологии повышающих стабилизаторов находят все более широкое применение, т.к. количество светодиодов в системах освещения возрастает. Примерами таких приложений является освещение улиц, стадионов, жилых и общественных зданий, а также декоративная или архитектурная подсветка. Для сравнения на рисунке 1 показаны базовые конфигурации драйверов светодиодов с понижающей и повышающей топологией. Как и в случае линейных и понижающих драйверов светодиодов, основной технической проблемой в повышающих драйверах является управление прямым током каждого из целого массива светодиодов. Идеально было бы поместить каждый светодиод в одну последовательную цепь, что обеспечивало бы одинаковый ток через каждый светодиод. Повышающий стабилизатор является простейшим вариантом увеличения входного постоянного напряжения до более высокого выходного напряжения, т.к. это позволяет включить больше светодиодов последователь-

но при данном входном напряжении. Для питания системы общего освещения обычно используется переменное напряжение сети 110 или 220 В. Если не требуется обеспечить коррекцию коэффициента мощности (ККМ), гальваническую изоляцию или фильтрацию линейных гармоник, то однокаскадные неизолированные импульсные преобразователи (понижающие, повышающие или понижающе-повыщающие) могут использовать выпрямленное напряжение сети переменного тока для питания длинных цепочек светодиодов. Во многих случаях, однако, используется промежуточная шина постоянного напряжения от AC/DC-преобразователя, который обеспечивает универсальный вход переменного тока, ККМ, изоляцию и фильтрацию. Кроме того, промежуточная шина помогает решить проблемы диэлектрического пробоя и искрения, что улучшает безопасность сервисного персонала, работающего с системой освещения. Повышающие стабилизаторы

Повышающие стабилизаторы сложнее в проектировании, чем понижающие, независимо от того, требуется контролировать выходное напряжение или выходной ток. Средний ток индуктивности повышающего преобразователя, работающего в режиме Continuous Conduction Mode (CCM), равен току нагрузки (току светодиода), умноженному на 1/(1 — D), где D — рабочий цикл. Повышающий стабилизатор

Рис. 1. Конфигурации понижающего и повышающего драйверов светодиодов. В понижающей топологии выходное напряжение VO = nVF, VO < VIN; в повышающей топологии VO = nVF, VO > VIN 1

Понижающая топология драйвера светодиодов рассматривалась в Части 1 данной статьи.

WWW.ELCP.RU

напряжения требует учета предельных значений входного напряжения и тщательного выбора параметров катушки индуктивности, в частности, значений номинального пикового тока. Повышающий драйвер светодиода увеличивает выходное напряжение, что влияет на величину рабочего цикла и, следовательно, на значения индуктивности и номинального тока основной катушки индуктивности. Для того чтобы избежать насыщения катушки, необходимо проверить максимальные значения средних и пиковых токов как при минимальном входном напряжении VIN-MIN, так и максимальном выходном напряжении VO-MAX. В отличие от понижающего стабилизатора с индуктивностью на выходе, повышающий преобразователь имеет прерывистый выходной ток. По этой причине в такой схеме требуется выходной конденсатор для обеспечения непрерывного выходного напряжения (и, следовательно, выходного тока). Номинал емкости конденсатора выбирается как можно меньше и, в то же время, достаточный для поддержания требуемой величины пульсаций тока светодиода. Чем меньше выходная емкость (что, кроме всего, минимизирует стоимость и размеры устройства), тем быстрее реакция преобразователя на изменения выходного тока и, следовательно, лучше характеристика регулировки яркости свечения светодиодов. Другой серьезной проблемой повышающего преобразователя является контур управления. Понижающие преобразователи могут иметь различные варианты управления: ШИМуправление в режиме напряжения, ШИМ-управление в режиме пикового тока, постоянное/управляемое время включения, управление с гистерезисом и др. Повышающие стабилизаторы с режимом CCM (за исключением маломощного/портативного оборудования) почти повсеместно используют ШИМуправление в режиме пикового тока из-за нулей характеристического урав-

большинства приложений требуется регулировка яркости свечения, поэтому необходимо обеспечить широкую полосу пропускания и быструю переходную характеристику, что как раз и обеспечивает стабилизатор напряжения. Регулировка яркости может осуществляться либо путем линейного изменения IF (аналоговая регулировка), либо с помощью коммутации выхода на высокой частоте (цифровая, или ШИМрегулировка). Понижающе-повышающие стабилизаторы

Внедрение систем светодиодного освещения происходит намного быстрее, чем разрабатываются стандарты по твердотельному освещению. Широкий разброс входных напряжений стимулирует появление различных типов светодиодов. Диапазон выходных напряжений драйверов определяется количеством последовательно включенных светодиодов, типами светодиодов, величиной VF, а также особенностями технологии и температурой кристалла. Например, автомобили высокого класса переходят на использование светодиодов в системах дневного освещения. Три 3-Вт белых светодиода представляют нагрузку около 12 В при токе 1 А. Автомобильные электронные системы должны работать в диапазоне питающих напряжений 9…16 В с возможностью его

расширения до 6…42 В, когда характеристики снижены, но система работает без сбоев. В общем случае, понижающий драйвер является наилучшим решением для светодиодов, за ним следует повышающий драйвер, но ни один из них не подходит для данного случая. Если необходимо использовать понижающеповышающий стабилизатор, то часто наибольшие затруднения вызывает выбор оптимальной топологии. Одним фундаментальным отличием понижающе-повышающего стабилизатора с любой топологией от понижающего или повышающего стабилизатора является то, что в понижающе-повышающем стабилизаторе входной источник питания никогда прямо не соединяется с выходом. Как понижающий, так и повышающий стабилизатор соединяют VIN и VO (через катушку индуктивности и ключ/диод) во время коммутации, и это прямое соединение повышает их эффективность. Все понижающе-повышающие стабилизаторы сохраняют всю энергию, передаваемую в нагрузку либо в магнитном поле (индуктивность или трансформатор), либо в электрическом поле (конденсатор), что обеспечивает более высокие пиковые токи или более высокое напряжение в силовых ключах. Следует уделить особое внимание работе преобразователя при крайних значениях входного и выходного напря-

65 С В Е ТОТ Е Х Н И К А И О П ТОЭЛ Е К Т РО Н И К А

нения в правой полуплоскости (righthalf-plane zero — RHPZ) и того факта, что они передают мощность на выход при закрытом управляющем ключе. При разработке повышающего драйвера светодиодов с контролем выходного тока необходимо проверить работу контура управления со светодиодом в качестве нагрузки. При управлении в режиме пикового тока импеданс нагрузки значительно влияет как на коэффициент усиления по постоянному току, так и на низкочастотную составляющую передаточной функции «контур управления — выход». Для стабилизаторов напряжения импеданс нагрузки определяется в результате деления выходного напряжения на выходной ток. Светодиоды — это диоды с динамическим сопротивлением, которое можно определить только путем построения графика зависимости VF от IF и определения наклона касательной линии при выбранном значении прямого тока. Как показано на рисунке 1, токовый стабилизатор использует саму нагрузку в качестве делителя в цепи обратной связи. Это уменьшает усиление по постоянному току на коэффициент RSNS/(RSNS + rD). Можно было бы компенсировать повышающий драйвер светодиода простым интегратором, сужающим полосу пропускания для улучшения стабильности. Однако для

Электронные компоненты №3 2010

Рис. 2. Схема понижающе-повышающего преобразователя: слева — верхнего плеча, справа — нижнего плеча

но, например, для крупных систем освещения, таких как уличное освещение, где требуются сотни и более светодиодов мощностью более 1 Вт. В целом, для систем промежуточной мощности, таких как головной свет автомобиля и небольшие осветительные приборы, повышающие и понижающе-повышающие стабилизаторы представляют собой наилучший выбор для питания светодиодов постоянным током. РЕГУЛИРОВКА ЯРКОСТИ СВЕЧЕНИЯ

С В Е ТОТ Е Х Н И К А И О П ТОЭЛ Е К Т РО Н И К А

Рис. 3. Схема SEPIC-драйвера светодиода

Рис. 4. Схема стабилизатора Кука

жений, т.к. при VIN-MIN и VO-MAX ток коммутации достигает пикового значения, а пиковое значение напряжения коммутации достигается при VIN-MAX, VIN-MAX и VO-MAX. В общем случае это означает, что понижающе-повышающий стабилизатор имеет большие размеры и меньшее КПД, чем понижающий или повышающий стабилизатор равной мощности. Понижающе-повышающий стабилизатор с одной катушкой индуктивности может быть построен с тем же числом компонентов, что и понижающий или повышающий стабилизатор. Это делает его привлекательным, с точки зрения стоимости системы. Одним недостатком такой топологии является то, что полярность Vo инвертирована (см. рис. 2 слева) или регулируется относительно VIN (см. рис. 2 справа). В таких преобразователях следует использовать схемы сдвига уровня или инвертирующие цепи. Как и повышающие преобразователи, понижающе-повышающие стабилизаторы имеют прерывистый выходной ток и требуют включения выходного конденсатора. Мощный MOSFET рассчитан на пиковый ток IIN плюс IF и пиковое напряжение VIN плюс VO.

понижающе-повышающем преобразователе, в SEPIC-преобразователях требуется выходная емкость для сглаживания тока светодиода. Еще одним достоинством SEPIC-преобразователя является то, что почти все стабилизаторы или контроллеры нижнего плеча можно сконфигурировать в SEPICтопологии без схем инвертирования полярности или сдвига уровня. Схема SEPIC-драйвера светодиода показана на рисунке 3. Редко используемый для стабилизации напряжения преобразователь Кука (см. рис. 4) применяется в качестве драйвера светодиодов. Входной и выходной токи в такой схеме непрерывны. Полярность выходного напряжения обратна, как в понижающе-повышающем преобразователе верхнего плеча, однако выходной конденсатор можно исключить, как в понижающем преобразователе. Преобразователь Кука является единственной схемой неизолированного стабилизатора с такой возможностью. Ни повышающий, ни понижающеповышающем стабилизатор не предпочтительны для драйверов светодиодов из-за их более высокой сложности и увеличенного числа компонентов, меньшей эффективности (особенно это касается понижающеповышающего стабилизатора) и ограниченного выбора схемы управления. Однако обе схемы являются «неизбежным злом», т.к. светодиоды внедряются во все большее число приложений. В некоторых случаях архитектура системы может быть изменена так, чтобы использовать понижающий или даже линейный стабилизатор для драйвера светодиодов. Это возмож-

ДРУГИЕ ТОПОЛОГИИ ДРАЙВЕРОВ

Кроме повышающих и понижающих, имеется еще ряд топологий преобразователей, используемых в качестве драйверов светодиодов, в частности SEPIC-преобразователи и преобразователи Кука. Преимущество SEPIC-преобразователей заключается в том, что они обеспечивают непрерывный входной ток из-за наличия входной катушки индуктивности и положительное выходное напряжение. Как в повышающем и

WWW.ELCP.RU

Независимо от того, используется для питания светодиодов понижающий, повышающий, понижающеповышающий или линейный стабилизатор, общим требованием является наличие схемы управления световым выходом. Некоторые приложения являются простыми, однако в большей части приложений требуется регулировка яркости от нуля до 100%, часто с высоким разрешением. Разработчик имеет возможность выбрать один из двух методов регулировки: линейная регулировка тока светодиода (аналоговая регулировка) или использование коммутирующей схемы, которая работает с высокой частотой, достаточной для того, чтобы глаз был способен усреднить световой выход (цифровая регулировка). Использование ШИМ для установки периода и рабочего цикла (см. рис. 5) является, по-видимому, самым простым способом реализации цифровой регулировки, а топология понижающего стабилизатора способна обеспечить наилучшие характеристики. Предпочтителен ШИМ-метод регулировки яркости

Аналоговую регулировку яркости часто проще реализовать. В этом случае выходной сигнал драйвера светодиода изменяется пропорционально управляющему напряжению. Аналоговая регулировка не вносит новых частот — потенциального источника электромагнитных помех. ШИМ-регулировка используется в большинстве схем благодаря фундаментальному свойству светодиодов: характер излучаемого света меняется пропорционально среднему питающему току. Для монохроматических светодиодов меняется доминирующая длина волны. Для белых светодиодов меняется коррелированная цветовая температура (correlated color temperature — CCT). Человеческому глазу трудно уловить изменения длины волны на уровне несколько нм красных, зеленых и синих светодиодов, особенно когда интенсивность света также меняется. Однако изменение температуры цвета белого света легко заметить.

Для аналоговой регулировки поддержание точности выходного тока представляет серьезную проблему. Почти все драйверы светодиодов используют на выходе последовательно включенный резистор для измерения тока. Величина напряжения, падающего на этом резисторе VSNS, выбирается так, чтобы обеспечить малую рассеиваемую мощность и, в то же время, высокое отношение сигнал-шум. Допуски, смещения и задержки драйвера вносят погрешность, которая остается относительно постоянной. Для уменьшения выходного тока в системе с обратной связью VSNS должно быть снижено. Это, в свою очередь, уменьшает точность задания выходного тока. Таким образом, регулировка яркости с помощью ШИМ обеспечивает более точный

контроль светового выхода вплоть до намного меньших уровней, чем допускает аналоговая регулировка. Частота регулировки яркости и контрастность

Конечное время реакции драйвера светодиода на ШИМ-сигнал необходимо учитывать при разработке схемы. Имеются три основных типа задержки драйвера (см. рис. 6). Чем больше эти задержки, тем меньше достижимый коэффициент контраста. Как показано на рисунке 6, tD представляет собой задержку распространения от момента времени, когда сигнал VDIM переходит в состояние высокого уровня, до момента времени, когда драйвер светодиода начинает увеличивать выходной ток. tSU — это

Рис. 5. Драйвер светодиодов с ШИМ-регулировкой яркости свечения и форма сигналов

Электронные компоненты №3 2010

67 С В Е ТОТ Е Х Н И К А И О П ТОЭЛ Е К Т РО Н И К А

Белые светодиоды, как правило, состоят из кристалла, излучающего фотоны в синем спектре, которые проникают в фосфорное покрытие. Это покрытие, в свою очередь, излучает фотоны в широком диапазоне длин волн видимого света. При низких токах в спектре доминирует фосфор, и свет обычно имеет желтый оттенок. При высоких токах доминирует синий оттенок света с более высоким значением коррелированной цветовой температуры. В приложениях с несколькими белыми светодиодами разница в CCT между двумя соседними светодиодами может быть заметной и неприятной. Это может наблюдаться также в источниках, в которых свет смешивается от множества монохроматических светодиодов. Когда имеется более одного источника света, любая разница между ними раздражает глаз. Производители светодиодов устанавливают определенное значение тока управления для своих продуктов и гарантируют доминирующую длину волны или CCT только при этих значениях тока. ШИМ-регулировка обеспечивает излучение того оттенка света, который необходим разработчику системы, независимо от интенсивности света. Такой точный контроль особенно важен в RGB-приложениях, где происходит смешивание различных цветов для получения белого света.

Рис. 6. Задержки при регулировке яркости свечения

время увеличения выходного тока от нуля до заданного уровня, а tSD — время уменьшения выходного тока от заданного уровня до нуля. В общем случае, чем меньше частота регулировки f DIM, тем выше контрастность, т.к. эти постоянные задержки занимают меньшую часть периода регулировки TDIM. Нижний предел fDIM приблизительно равен 120 Гц, ниже которого глаз не воспринимает световые импульсы как непрерывный свет. Верхний предел определяется минимальной требуемой контрастностью. Коэффициент контраста представляет собой инверсную величину минимального времени включения. Приложения для машинного зрения и промышленного контроля часто требуют намного более высокую частоту ШИМ-регулировки, потому что в них используются быстродействующие видеокамеры и датчики. В таких приложениях целью быстрого включения и выключения светодиодного источника света является не снижение среднего светового выхода, а синхронизация светового выхода с временем захвата датчика или видеокамеры. Регулировка яркости в импульсном стабилизаторе

С В Е ТОТ Е Х Н И К А И О П ТОЭЛ Е К Т РО Н И К А

При разработке драйверов светодиодов на базе импульсного стабилизатора следует предусмотреть необходимость их выключения и включения сотни и тысячи раз в секунду. Стабилизаторы, спроектированные для обычных источников питания, часто имеют вывод разрешения или вывод выключения, на которые может быть подан ШИМ-сигнал логического уровня, но связанная с этим сигналом задержка tD часто бывает слишком большой. Это объясняется тем, что кремниевые полупроводниковые приборы имеют низкий ток выключения. В специализированных импульсных стабилизаторах для питания светодиодов все наоборот: для минимизации tD внутренние цепи управления поддерживаются в активном состоянии, и, в то же время, обеспечивается высокий рабочий ток, когда светодиод выключен.

WWW.ELCP.RU

Оптимизация управления светом с помощью ШИМ требует минимального времени нарастания и спада сигнала не только для получения наилучшего коэффициента контрастности, но также для минимизации времени нахождения светодиода в промежуточном состоянии (когда доминирующая длина волны и CCT не гарантированы). Обычный импульсный стабилизатор, как правило, имеет функцию мягкого старта и мягкого выключения, однако специализированные драйверы светодиодов специально разработаны для минимизации времени нарастания и спада выходного сигнала. Уменьшения tSU и tSD можно достичь путем оптимального выбора топологии используемого в драйвере светодиода импульсного стабилизатора. Понижающий стабилизатор превосходит все другие импульсные топологии по скорости нарастания выходного сигнала по двум причинам. Во-первых, понижающий стабилизатор — это единственный импульсный преобразователь, который передает мощность на выход при включенном управляющем ключе. Это делает управляющую ШИМ-цепь понижающего стабилизатора более быстродействующей, чем повышающего и различных видов понижающе-повышающего стабилизатора. Передачу мощности во время включения также легко реализовать при гистерезисном управлении, которое даже более быстрое, чем контур управления в режиме напряжения или тока. Во-вторых, катушка индуктивности понижающего стабилизатора соединена с выходом во время всего цикла переключения. Без выходного конденсатора понижающий стабилизатор становится настоящим источником тока с высоким импедансом, способным быстро переключать выходное напряжение. Преобразователь Кука и ZETAпреобразователь также имеют катушку индуктивности на выходе, однако их управляющий контур медленнее (и имеет меньшую эффективность). Высокочастотная ШИМ-регулировка

Даже гистерезисный понижающий стабилизатор без выходного

конденсатора не всегда обеспечивает требования некоторых систем с ШИМ-регулировкой. Эти приложения используют высокую частоту ШИМрегулировки и высокий коэффициент контрастности, что, в свою очередь, требует высокой скорости нарастания и спада выходного сигнала и малого времени задержки. Кроме систем машинного зрения и промышленного контроля, примерами, в которых требуется высокая скорость, могут служить подсветка ЖК-панелей и видеопроекторы. В некоторых случаях частота ШИМ-регулировки должна быть выше звуковой частоты, т.е. 25 кГц. Вместе с уменьшением общего периода регулировки до нескольких мс, общее время нарастания и спада сигнала, включая задержку распространения, должно быть снижено до нескольких нс. Рассмотрим быстрый понижающий стабилизатор без выходного конденсатора. Задержки включения и выключения выходного тока определяются задержками распространения сигналов микросхемы и физическими свойствами выходной катушки индуктивности. Наилучшим способом минимизации этих задержек является использование мощного ключа, включенного параллельно цепи светодиодов (см. рис. 7). Для того чтобы выключить светодиоды, ток драйвера шунтируется ключом, который обычно представляет собой n-канальный MOSFET. Микросхема работает, и ток через индуктивность продолжает протекать. Главным недостатком такого метода является то, что теряется мощность в то время, когда выключены светодиоды. Регулировка яркости с помощью шунтирующего MOSFET вызывает быстрый сдвиг выходного напряжения, на который контур управления микросхемы должен ответить стремлением сохранить постоянный ток на выходе. Чем быстрее цепь управления, тем лучше время реакции системы, и понижающий стабилизатор с гистерезисным управлением обеспечивает наилучшую скорость. Быстрая ШИМ с повышающим и понижающе-повышающим стабилизатором

Ни повышающий стабилизатор, ни одна из понижающе-повышающих топологий не подходят идеально для ШИМ-регулировки яркости. Это объясняется тем, что в режиме CCM в каждой из этих схем появляются нули характеристического уравнения в правой полуплоскости, что затрудняет достижение широкой полосы пропускания контура управления, нужной для тактируемых стабилизаторов. Временной эффект RHPZ также делает намного более затруднительным использование

быстрые переходные процессы, которые могут вызвать нарушение обратной связи и бесконтрольное возрастание выходного напряжения. В этом случае необходима схема фиксации на выходе и/или усилитель ошибки для предотвращения отказа из-за повышенного напряжения. Такую фиксирующую схему сложно реализовать с помощью внешней цепи, и потому использование последовательного FET для регулировки яркости имеет практический смысл только со специализированными повышающими и понижающе-повышающими микросхемами драйверов светодиодов. В заключение следует отметить, что чем сложнее источник света, тем вероятнее использование ШИМрегулировки яркости. Это, в свою очередь, требует, чтобы разработчик

системы внимательно рассмотрел варианты топологии драйвера светодиода. Понижающий стабилизатор имеет много преимуществ при реализации ШИМ-регулировки яркости. Если частота регулировки яркости должна быть высока, или время нарастания и спада сигнала на выходе должно быть малым, понижающий стабилизатор является наилучшим выбором.

ЛИТЕРАТУРА 1. Sameh Sarhan, Chris Richardson. A matter of light//www.embedded.com. 2. Zhongming Ye. LED Driver implements power factor regulation and dimming function//www.powermanagementdesignline.com. 3. Design Challenges of Switching LED Drivers. Application Note AN-1656//www. national.com.

Рис. 7. Схема с шунтирующим n-канальным MOSFET и форма сигналов

Электронные компоненты №3 2010

69 С В Е ТОТ Е Х Н И К А И О П ТОЭЛ Е К Т РО Н И К А

гистерезисного управления для повышающей и понижающе-повышающей схемы. Кроме того, повышающий стабилизатор не может допустить падение выходного напряжения ниже входного напряжения. Такие условия вызывают короткое замыкание на входе и делают невозможным регулировку яркости с помощью параллельно включенного FET. Среди понижающе-повышающих топологий регулировка яркости с помощью параллельно включенного FET невозможна или, в лучшем случае, нецелесообразна из-за особых требований для выходного конденсатора (SEPIC, понижающе-повышающая и обратноходовая топология) или из-за неконтролируемого тока входной индуктивности во время короткого замыкания на выходе (преобразователь Кука и ZETA-преобразователь). Когда требуется настоящая быстрая ШИМ-регулировка, наилучшим решением является двухкаскадная система, в которой в качестве второго каскада используется понижающий стабилизатор. Если размеры и стоимость не позволяют реализовать этот подход, другим вариантом решения является последовательно включенный ключ. Ток через светодиод в такой схеме может быть выключен мгновенно. С другой стороны, особое внимание следует уделить реакции системы. На такую открытую схему воздействуют

Истинные параметры мощных светодиодов Philips Lumileds Luxeon Rebel АНТОН БУЛДЫГИН, инженер, ООО «Светотроника» МИХАИЛ СЕЛЕЗНЕВ, инженер, ООО «Светотроника»

В настоящее время на отечественном рынке представлены практически все мировые производители мощных светодиодов. Ежедневно десятки компаний начинают новые интересные и перспективные проекты. Это значит, что сотни специалистов-разработчиков постоянно нуждаются в объективной информации о светодиодах, с которыми они работают. И каждый производитель старается снабдить ею разработчиков в достаточном для работы объёме. Однако зачастую при аттестации изделий разработчик получает хоть и удовлетворительный, но плохо аппроксимированный с расчётными данными результат. Нетрудно предположить, по какой причине это происходит. Едва ли для кого-нибудь будет секретом, что на заявленные в техническом описании параметры в немалой степени влияют и маркетинговые службы производителя. Законы конкуренции иногда диктуют свои правила, и они не всегда корректны. Разобраться в техническом описании порой не менее сложно, чем в мудрёном юридическом документе. Но беда в том, что и в спецификации указываются неистинные параметры изделия, что не раз уже доказали нашумевшие исследования. Наша компания занимается разработками в течение длительного времени, и мы хорошо знаем, насколько важно для разработчика получить истинную информацию о компонентах, участвующих в проекте. Особенно о таком ключевом компоненте, каким является светодиод. Исходя из этого, мы решили досконально исследовать не слишком пока популярный на российском рынке продукт Philips Lumileds Rebel. На наш взгляд, этот светодиод совершенно незаслуженно обошли вниманием российские разработчики, т.к. он обладает рядом существенных преимуществ даже перед более известными моделями светодиодов. Для проведения испытаний мы воспользовались лабораторной базой Научно-технического центра микроэлектроники и субмикронных структур ФТИ РАН. Отдельно нам хотелось бы поблагодарить учёного секретаря НТЦ к.т.н. Александра Львовича Закгейма, любезно оказавшего нам помощь при проведении измерений. В измерениях принимало участие несколько образцов светодиодов Rebel серии Illumination с двумя типами цветности. В этой статье публикуется только часть результатов, которые описывают зависимость основных параметров светодиодов от плот-

Рис. 1. Внешний вид светодиода Philips Lumileds Luxeon Rebel

WWW.ELCP.RU

ности рабочего тока, а также изменение спектра в зависимости от температуры кристалла. Прежде чем перейти к полученным параметрам, вкратце опишем изделие, представленное на рисунке 1. Светодиоды серии Rebel — мощные светодиоды четвёртого поколения. В них используется кристалл собственного производства компании Philips Lumileds площадью 1 мм2. Отметим, что это обстоятельство существенно упрощает объективное понимание параметров продукта, т.к. в последнее время у некоторых производителей появилась тенденция увеличивать кристалл почти вдвое или использовать многокристальную технологию. Кристалл смонтирован на керамическую подложку через токопроводящий слой, что позволило избежать проводных соединений и тем самым увеличить надёжность. Термическое сопротивление такой конструкции колеблется в пределах от 9,2…10,3°К/Вт, что совпадает с заявленным значением. На борту каждого светодиода имеется TVS-диод, обеспечивающий защиту кристалла от статического напряжения. Отдельно подчеркнём точный способ нанесения люминофора: пятно рассеяния даже при использовании вторичной оптики со сверхмалыми углами остаётся абсолютно равномерным по цветовой температуре. КСС светодиода формирует силиконовая линза с полным углом пространственного распределения силы света 120°. Ниже приведены данные для светодиодов, соответствующих бину с самым высоким значением падения напряжения. Пользуясь этими данными, разработчик никогда не попадёт в неприятную ситуацию, а результат будет предсказуем независимо от поставок. Для простоты восприятия мы приводим усреднённые результаты измерений в табличном виде (см. табл. 1 и 2), а проиллюстрированы будут только основные параметры. Итак, самыми интересными из них по праву можно считать значения светового потока и световой отдачи. Как можно увидеть на рисунке 2а, в нормальных условиях световой поток светодиода вплотную приближается к 100 лм, заявленным производителем при номинальной плотности тока в 350 мА. При этом световая отдача для данной группы изделий составила около 85 лм/Вт (см. рис. 3а). На первый взгляд, такое значение световой отдачи значительно меньше 100 лм/Вт и потому не слишком привлекательно. Однако специалисты, внимательно следившие за фундаментальными измерениями серийных образцов мощных светодиодов, знают, что это хорошее реальное значение световой отдачи. Отметим, что в зависимости от бина реальное значение световой отдачи может повышаться до 94 лм/Вт. Что касается светового потока, то он полностью соответствует допуску, указанному производителем в техническом описании. Стоит отдельно подчеркнуть, что такая честность производителя — большая редкость. По словам сотрудников НТЦ, схожие значения они получили и от хорошо известной модели светодиодов с заявленным световым потоком, превышающим значение в 110 лм.

Рис. 2а. Истинное значение светового потока светодиодов Philips Lumileds Luxeon Rebel LXML51

Рис. 2б. Истинное значение светового потока светодиодов Philips Lumileds Luxeon Rebel LXML21

Рис. 3а. Значение истинной световой отдачи светодиодов Philips Lumileds Luxeon Rebel LXML51

Рис. 3б. Значение истинной световой отдачи светодиодов Philips Lumileds Luxeon Rebel LXML21

Рис. 4а. Изменение спектра в зависимости от температуры кристалла светодиодов Philips Lumileds Luxeon Rebel LXML51

Рис. 4б. Изменение спектра в зависимости от температуры кристалла светодиодов Philips Lumileds Luxeon Rebel LXML21

Реальное значение индекса цветопередачи CRI составило около 65, что также соответствует заявленному производителем параметру. В соответствии с DIN6169-7-1979, такая величина индекса цветопередачи соответствует классу цветопередачи 2B и является хорошим значением. Разумеется, в номенклатуре Philips Lumileds имеются светодиоды с индексом цветопередачи до 85, но эти модели пока ещё не протестированы. Для образцов с цветовой температурой 5500К параметр световой отдачи ожидаемо выше. Как можно видеть на рисунке 2б, он составил 90 лм/Вт при световом потоке

97 лм (см. рис. 3б). В данном случае были использованы бины со средним значением падения напряжения, поэтому эффективность светодиода достаточно высока — 28% при номинальной плотности тока. Значение индекса цветопередачи, как и в случае со светодиодами с цветовой температурой 4200К, соответствует классу 2В. Светодиоды серии Rebel Illumination хорошо известны как очень устойчивые к воздействиям температуры. Об этом их качестве лучше всего говорит кривая значений фактора cold/hot. Следует отдельно отметить, что это следствие серьёзной и кропотливой работы над люминофором

WWW.ELCP.RU

специалистов компании Philips Lumileds, поставивших своей целью создание сверхстабильного светодиода. Кстати, флагманом по этим параметрам среди мощных светодиодов по праву можно считать Luxeon Rebel серии ES. Показатели серии Illumination несколько скромнее, но тоже очень хороши. Однако с изменением температуры изменяется не только световая отдача, но и спектр. Мы попытались оценить изменение спектра в зависимости от различных температур кристалла. Как можно видеть на рисунках 4а и 4б, стабильность цветовой температуры в широком диапазоне температур кристалла очень высока. Изменения температуры

p-n-перехода на 50°С вызвало изменение цветовой температуры только на 1,5—2%. Это ещё раз подтверждает репутацию серии Rebel illumination как крайне стабильных светодиодов. В заключение хотелось бы отметить, что в ходе проведения измерений мы не выявили ни одной единицы продукции, которая выпадала бы за пределы характеристик, указанных производителем в техническом описании. Это подчёркивает честность производителя перед своими клиентами. Исследования мощных светодиодов серии Rebel продолжаются, и в дальнейшем мы намереваемся опубликовать полученные результаты.

Таблица 1. Полученные значения для мощных светодиодов Philips Lumileds Rebel LXML-PW51 mA

WPE

Lm/W

CRI

T term

10,00

2,751

34,81

121,38

3,34

3977,00

64.36

27,00

27,28

20,00

2,826

35,32

123,04

6,95

3983,00

64.36

27,00

27,57

30,00

2,874

35,08

122,10

10,53

3989,00

64.37

27,00

27,86

39,90

2,910

34,65

120,45

13,99

3995,00

64.38

27,00

28,16

50,00

2,940

34,11

118,48

17,42

3999,00

64.38

27,20

28,67

59,90

2,945

33,66

116,79

20,74

4003,00

64.37

27,00

28,76

80,00

3,005

32,44

112,29

26,96

4020,00

64.37

27,00

29,40

100,00

3,041

31,70

109,56

33,28

4026,00

64.39

27,00

30,04

150,00

3,116

29,48

101,57

47,47

4040,00

64.41

27,00

31,67

200,00

3,171

28,27

97,13

61,60

4051,00

64.45

27,00

33,34

300,00

3,263

25,89

88,60

86,70

4067,00

64.53

27,00

36,79

350,00

3,294

24,97

85,31

98,35

4076,00

64.57

27,00

38,53

400,00

3,326

24,11

82,24

109,40

4082,00

64.61

27,00

40,30

600,00

3,451

21,29

72,41

149,90

4104,00

64.81

27,00

47,71

800,00

03,552

19,19

65,14

185,10

4126,00

65.05

27,00

55,42

1000,00

3,643

17,27

58,57

213,40

4151,00

65.33

27,00

63,43

Таблица 2. Полученные значения для мощных светодиодов Philips Lumileds Rebel LXML-PW21 mA

WPE

Lm/W

CRI

T term

10,00

2,636

37,73

126,15

3,325

5177,00

67,78

30,00

30,26

15,00

2,664

38,25

126,69

5,137

5192,00

67,78

30,00

30,40

20,00

2,686

38,48

128,37

6,896

5197,00

67,81

30,00

30,54

30,00

2,723

38,40

127,78

10,440

5216,00

67,82

30,00

30,82

40,00

2,751

38,07

126,44

13,910

5232,00

67,84

30,00

31,10

50,00

2,775

37,61

124,69

17,300

5246,00

67,86

30,00

31,39

60,00

2,796

37,20

123,15

20,630

5260,00

67,87

30,00

31,68

80,00

2,832

35,77

118,00

26,700

5304,00

67,89

30,00

32,27

100,00

2,862

34,81

114,56

32,790

5322,00

67,91

30,00

32,86

150,00

2,923

32,88

107,64

47,190

5360,00

67,99

30,00

34,38

200,00

2,971

31,30

102,09

60,630

5388,00

68,04

30,00

35,94

250,00

3,012

29,94

97,32

73,280

5416,00

68,11

30,00

37,53

300,00

3,047

28,81

93,36

85,310

5439,00

68,18

30,00

39,14

350,00

3,079

27,85

90,02

96,980

5457,00

68,26

30,00

40,78

400,00

3,108

26,98

87,03

108,200

5475,00

68,33

30,00

42,43

500,00

3,160

25,46

81,87

129,300

5501,00

68,48

30,00

45,80

700,00

3,251

23,15

74,09

168,600

5536,00

68,78

30,00

52,76

1000,00

3,356

20,75

65,53

219,900

5572,00

69,30

30,00

63,56

Электронные компоненты №3 2010

Источники бесперебойного питания для стационарных и подвижных объектов ИЛЬЯ ПЛОТКИН, директор по развитию, ООО АЭИЭП ИГОРЬ ТВЕРДОВ, научн. консультант, ООО АЭИЭП СЕРГЕЙ СЛЕПОВ, нач. отд., 16 ЦНИИИ МО РФ Со времени первой нашей публикации по источникам бесперебойного питания (ИБП) прошло почти четыре года [1]. В течение этого времени на предприятии продолжались работы по совершенствованию ИБП. Для наращивания мощности была обеспечена параллельная работа этих источников, добавлена возможность питания от трехфазной сети переменного тока, а также разработана модификация ИБП для подвижных объектов. В последнее время предприятием получены патенты [2, 3], что позволяет раскрыть технические решения, заложенные в проектирование этих устройств. Для электроснабжения ответственных потребителей, которые не допускают перерывов питающего напряжения, ИБП постоянного тока широко используются уже третье столетие. Без таких ИБП была бы не возможна работа телефонных станций, систем сигнализации на железной дороге, современных производств с непрерывным технологическим процессом, систем космической, радиорелейной, дальней связи и многих других. До недавнего времени ИБП строились на громоздких выпрямителях с большими потерями и аккумуляторных батареях (АБ) открытого типа, требующих вентиляции и больших эксплуатационных расходов. Например, на АТС ИБП размещались в выпрямительных и аккумуляторных залах с мощной вентиляцией тепла и вредных выбросов. В настоящее время малогабаритные ИБП на основе высокочастотных преобразователей и герметизированных АБ устанавливаются в аппаратных залах, где занимают незначительную часть от общей площади.

74 Рис. 1. ИБП для стационарных объектов

Рис. 2. ИБП для подвижных объектов

WWW.ELCP.RU

Отечественным специализированным предприятием АЭИЭП разработан унифицированный ряд ИБП постоянного тока в широком диапазоне мощностей (150, 300, 600 Вт), выходных напряжений (12, 24, 48, 60 В) и времени работы от аккумуляторной батареи (5, 10, 15, 20, 30, 60, 120 мин). Основные электрические и эксплуатационные характеристики ИБП приведены в таблице 1. Питание ИБП осуществляется от однофазных сетей переменного тока 220 В/50 и 400 Гц; 115 В/400 Гц и от трехфазной сети переменного тока с изолированной нейтралью 380 В/50 Гц с характеристиками, приведенными в таблице 2. ИБП разработаны в двух вариантах (см. рис. 1, 2) для стационарных и подвижных объектов. В последнем применяются специальные невыпадающие разъемы и усилена амортизация. В состав ИБП входят (см. рис. 3): корректор коэффициента мощности, модуль фильтрации и защиты (устанавливаются по требованию заказчика); модуль электропитания АС/DC; АБ; платы контроля и защиты. При наличии сети напряжение на нагрузке обеспечивает модуль питания, который преобразует переменное напряжение в постоянное, обеспечивает фильтрацию и стабилизацию. Одновременно модуль используется для заряда или поддержания в заряженном состоянии АБ. При пропадании сети нагрузка питается от АБ, которая обеспечивает номинальную мощность на выходе в течение времени, зависящего от емкости установленной батареи (необходимое время выбирается по таблице 1). В ИБП применяются серийные модули питания АЭИЭП (см. табл. 3), которые имеют высокую точность стабилизации — 2% и низкий уровень пульсации — 1% выходного напряжения. Такое качество напряжения позволяет использовать АБ типа FG итальянской фирмы Fiamm в максимально благоприятном режиме и увеличить срок службы. Известно, что такие АБ специально разработаны, чтобы получить наибольший эффект при буферном включении [4]. Кроме того, по данным компании СИЭЛТ, АБ этой серии имеют лучший показатель удельной стоимости — цена/емкость. Плата контроля управляет работой ИБП, обеспечивает световую индикацию режимов работы ИБП: наличие сети и напряжения на выходах 1, 2, 3, 4, подключение АБ в буфер с нагрузкой, прерывистую световую и звуковую индикацию снижения напряжения на АБ ниже допустимого уровня и об увеличении напряжения на батарее выше допустимой величины; формирует сигналы телеметрии: «СЕТЬ», превышение напряжения на АБ «ПЕРЕНАПР. АБ», «БУФЕР», снижение напряжения на АБ «РАЗРЯД».

Плата защиты содержит устройства ограничения тока заряда, отключения АБ при глубоком разряде, что позволяет исключить неблагоприятные факторы, ограничивающие срок службы АБ, самовосстанавливающиеся предохранители для защиты ИБП от перегрузки и короткого замыкания. В ИБП используются унифицированные модули фильтрации радиопомех и защиты от перенапряжений на токи 3 и 7,5 А (см. табл. 4). Измеренный уровень помех на входе ИБП не превышает значений, определяемых графиком 2 Норм по ГОСТ В 25803-91. Для защиты ИБП от сетевых выбросов напряжения в модулях размещены варисторы. В таблице 4 приведен основной параметр выбранных варисторов — напряжение на клеммах ограничителя. В соответствии с ГОСТ В 24425-90, это напряжение было измерено при воздействии импульса амплитудой 1000 В и длительностью 10 мкс. Корректор коэффициента мощности выполнен на основе корректирующего дросселя и обеспечивает близкую к синусоидальной форму тока, потребляемого модулем питания (коэффициент мощности ~ 0,8). ИБП имеют высокий эксплуатационный показатель (удельная энергия), который составляет 10...12 Вт·ч/дм3. Выполненное сравнение показало, что этот показатель в 1,5—2 раза превышает лучшие отечественные аналоги [1]. Конструкция обеспечивает установку ИБП на горизонтальную поверхность (пол, стол) через амортизаторы, на стену с помощью кронштейнов, в 19-дюймовую стойку на уголках. Комплекты монтажных частей поставляются отдельно.

Рис. 3. Структурная схема ИБП с питанием от однофазной сети ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

Как видно из таблицы 1, мощность ИБП ограничивается на уровне 600 Вт. Иногда для потребителей такая величина оказывается недостаточной. Предприятию невыгодно выпускать ИБП мощностью свыше 600 Вт, т.к. заказы не превышают нескольких процентов от общего количества. Для увеличения мощности применяется параллельное включение ИБП. Возможность параллельной работы на общую нагрузку реализована в ИБП600-Р, в условном обозначении которого добавился индекс «Р». Параллельная работа на общую нагрузку возможна только при наличии специальных устройств, обеспечи-

Таблица 1. Основные электрические и эксплуатационные характеристики ИБП Наименование Мощность, Вт ИБП150-12 ИБП150-24 ИБП150-48 ИБП150-60 ИБП300-12 ИБП300-24 ИБП300-48 ИБП300-60 ИБП480-12 ИБП600-24 ИБП600-48 ИБП600-60

150

300

480 600

Типономинал Диапазон напряжения на Диапазон напряжения на Время работы при макс. Масса, Размеры, мм выходн. напр., В выходе при отсутствии сети, В выходе при наличии сети, В нагрузке от АБ, мин. кг 12 10,0...13,8 13,1...13,8 5, 15, 30, 60, 120 21 24 20,0...27,6 26,2...27,6 20, 30, 60, 120 21 48 40,0...55,2 52,4...55,2 60 23 60 50,0...69 65,5...69 60, 120 25 12 10,0...13,8 13,1...13,8 10, 20, 30, 60, 120 27 24 20,0...27,6 26,2...27,6 60, 120 30 412×300×238 48 40,0...55,2 52,4...55,2 20, 30, 60 30 60 50,0...69 65,5...69 60 32 12 10,0...13,8 13,1...13,8 5, 10, 20, 30, 60 40 24 20,0...27,6 26,2...27,6 10, 20, 30 42 48 40,0...55,2 52,4...55,2 15 48 60 50,0...69 65,5...69 5, 20 50

Таблица 2. Характеристики качества входной электроэнергии Значение показателя Входное напряжение 220 В/50, 400 Гц –15...10 ±20 1

Характеристика показателя, размерность Установившееся отклонение, % Переходное отклонение, % Длительность переходного отклонения, не более, с

115 В/400 Гц –30...15 ±30

3×380 В/50 Гц –30...20 ±30

Таблица 3. Характеристики модулей питания серии КА Наименование

Мощность, Вт

Uвх, В

Uвых, В

KL300 KP600 KD1200

300 600 1200

24...220; 380 3Ф

5...60 24...60

Iвых макс, А 0,02...40 1...40

Кол-во выходных каналов 1, 2, 3 1,2

Габаритные размеры, мм 190×102×41,5 238×128×43 280×170×52

Масса, кг 0,85 1,5 3

Таблица 4. Основные параметры модулей фильтрации радиопомех Наименование модуля

Входное напряжение, В

МРР2-С3АМУ МРР3-С7,5АМУ

~220 В

Номинальный Коэффициент подавления помех на частотах не менее, дБ проходной ток, А 0,15–0,3 МГц 0,3–1 МГц 1–10 МГц 10–30 МГц 3 25 35 55 50 7,5 30 40 60 45

Напряжение ограничения Габариты, мм защиты, В 107×56×19 430 129×61×22

Масса, г 130 200

Электронные компоненты №3 2010

Рис. 4. Доработанное устройство для выравнивания токов между модулями питания

Рис. 5. Пример пуска трех модулей напряжения, включенных в параллель на общую нагрузку

Рис. 6. Параллельное подключение нескольких ИБП на общую нагрузку

вающих выравнивание токов между модулями питания каждого ИБП. Для используемых модулей KD1200 такие устройства были разработаны дополнительно. Для параллельной работы используется схемотехническое решение, обеспечивающее принудительное равномерное распределение тока нагрузки между модулями, которое хорошо себя зарекомендовало при выравнивании токов модулей мощностью десятки Вт. Для параллельного соединения более мощных модулей, когда сопротивление нагрузки составляет сотые доли Ом, это решение было доработано (см. рис. 4): появился новый функциональный узел — дежурный источник питания, претерпело изменение устройство защиты от перегрузки [2]. При перегрузке модуль переходит в режим генератора тока, величина которого равна 1,2 Iном. После доработки пуск модуля осуществляется надежно. В модуле, который первым запустился, защита от перегрузки расценивает нагрузку как КЗ, но не выключает его, а только ограничивает выходной ток. При этом модуль

WWW.ELCP.RU

продолжает работать. Следующий включившийся модуль «перетягивает» часть тока нагрузки на себя, и выходное напряжение увеличивается. Так происходит, пока все модули не выйдут на режим. Предположим, что раньше всех включился первый модуль (см. рис. 5) и начинает работать на нагрузку, которая значительно превышает его номинальную мощность. На выходе нарастает ток Iн и напряжение Uн, и в момент t1 ток достигает значения Iогр. На интервале t1–t5 первый модуль работает в режиме ограничения тока на уровне Iогр., при этом нарастает ток и напряжение на нагрузке. В момент t2 включается второй модуль, и на интервале t2–t3 ток нарастает до значения Iогр., сохраняясь на этом уровне на интервале t3–t5. Одновременно продолжается нарастание тока и напряжения на нагрузке. В момент t4 включается третий модуль, и в момент t5 его ток нарастает до номинального значения Iном., а токи первого и второго модулей снижаются от Iогр. до Iном. Мощность на нагрузке достигает номинального значения, а токи в каждом модуле в момент t5 выравниваются на уровне Iпр1 = Iпр2 = Iпр3 = Iном/3. При пропадании сети нагрузка питается от АБ каждого ИБП, которые соединены параллельно. При установке АБ учитывается требование ТУ на АБ фирмы Fiamm: использовать для параллельного соединения АБ одной партии и одной даты выпуска. Для ИБП, рассчитанных на параллельную работу, на лицевой панели дополнительно установлен разъем «Параллельное подключение ИБП», на который заводится сигнал для регулирования выходного тока. При параллельном подключении (см. рис. 6) нескольких ИБП на общую нагрузку длина и сечение проводов должны быть одинаковыми. УВЕЛИЧЕНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

Аккумуляторная батарея является основным элементом ИБП, в котором занимает более 60% общего объема, а ее цена свыше 40% от стоимости ИБП. При этом АБ требует неоднократной замены в процессе эксплуатации, т.к. срок службы АБ составляет 5 лет, в то время как у второго основного элемента модуля питания — более 20 лет. При прямом подключении АБ в буфер к стандартному модулю имеются следующие негативные факторы. Во-первых, возможен разряд ниже допустимой минимальной величины напряжения, при этом у АБ сокращается срок службы. Чтобы исключить глубокий разряд, АБ отключают от нагрузки при снижении напряжения ниже допустимого уровня. Устройство отключения состоит из компаратора, усилителя и реле, контакты которого включены между плюсом АБ и плюсом нагрузки и отключают АБ от нагрузки при снижении напряжения на АБ ниже допустимого уровня. Во вторых, при восстановлении сети разряженная кислотно-свинцовая герметизированная АБ заряжается током Iз, значительно превышающим допустимое значение численно равное 0,25Q, где Q — значение номинальной емкости АБ. В этом аномальном режиме заряда начинается разогрев электролита, количество которого уменьшается за счет испарения. Чтобы избежать взрыва, в АБ предусматривают стравливание избыточного газа через односторонний предохранительный клапан. Именно поэтому АБ классифицируется как герметизированные, а не герметичные. Высокий начальный зарядный ток является основным фактором, уменьшающим срок службы АБ. Для устранения этого недостатка при буферном заряде АБ постоянным напряжением от модуля питания вводится ограничение начального тока. На рисунке 7 приведена структурная схема ИБП, в котором для ограничения тока используется цепочка из диода V1, резистора R4, шунтируемая контактами реле через 20—30 мин после начала заряда [1]. Время выбирается таким, чтобы в момент t2 (см. рис. 8) АБ зарядилась до напряжения, которое не позволяет зарядному току превысить величину 0,25Q.

Рис. 7. Структурная схема ИБП

Рис. 8. Диаграмма заряда

При наличии сети и заряженной АБ состояние выхода компаратора «1», усилитель открыт и обеспечивает питанием обмотку реле, контактами которого АБ подключена к нагрузке. Модуль питания класса AC/DC обеспечивает питание нагрузки и ток содержания АБ. При пропадании сети питание нагрузки обеспечивает АБ. В момент, когда в результате разряда напряжение АБ уменьшается до минимального допустимого значения, срабатывает компаратор, и его выход обнуляется, усилитель закрывается, обесточивается обмотка реле, контакты которого размыкаются, АБ отключается от нагрузки, а цепочка «диод V1, резистор R4» готова к ограничению тока заряда при включении сети. Гистерезисный резистор R3 препятствует срабатыванию компаратора из-за повышения напряжения на клеммах разгруженной АБ. Резисторы R1, R2 на входах компаратора обеспечивают необходимый ток управления. Диод V1 препятствует разряду АБ на нагрузку при разомкнутых контактах реле. В момент включения сети t1 (см. рис. 8) начинается заряд АБ по цепи «плюс модуля питания, диод V1, резистор R4, АБ, минус модуля питания». Состояние выхода компараТаблица 5. Эксплуатационные характеристики ИБП Наименование параметра Значение параметра Диапазон рабочей температуры окружающей среды, °С –10...40 Допустимая относительная влажность окружающей среды 98 при 25°С, % Остальные климатические и механические характеристики по Группа 1.1, 1.3 УХЛ ГОСТ В 20.39.304-98 Степень защиты по ГОСТ 14254-80 IP30 Класс защиты по ГОСТ 12.2.007.0-75 (электробезопасность) I КПД, % 92 Время наработки на отказ, ч 100 тыс. Срок службы ИБП, не менее, лет 10 Срок службы АКБ, не менее, лет 5

тора — «0» (АБ разряжена), усилитель закрыт, реле обесточено. Нагрузка питается от модуля. Ток заряда I3 ограничивается на уровне 0,25Q с помощью резистора R4, величина которого определяется по формуле R4 = (Uст — Е)/Iз, где Uст — стабилизированное напряжение на выходе модуля питания; Е — противоЭДС разряженной АБ. В момент t2 (см. рис. 8) напряжение на инверсном входе компаратора становится выше напряжения на неинверсном входе, состояние выхода компаратора изменяется от «0» к «1», включается усилитель, обеспечивается током обмотка реле, контактом которого шунтируется цепь «диод V1, сопротивление R4». АБ подключается в буфер к модулю питания. Ток заряда вновь увеличивается до значения 0,25Q и по мере заряда АБ снижается до значения тока содержания (момент t3 на рисунке 8). Рассмотренное устройство является частью платы контроля. В заключение приведены основные эксплуатационные характеристики ИБП (см. табл. 5) ИБП выпускаются для общепромышленного и специального применения в соответствии с техническими условиями БКЮС 434732.503 ТУ. В июне 2006 г. успешно завершены типовые испытания и КД на ИБП присвоена литера «О1». ЛИТЕРАТУРА 1. И. Плоткин, Н. Закиров, И. Твердов. «Унифицированный ряд источников бесперебойного питания промышленного и специального назначения». - М. «Электронные компоненты». №12. 2005. 2. И. Плоткин, А. Нагайцев, И. Твердов, С. Затулов, А. Картышов «Преобразователь напряжения. Патент №2374745». 3. И. Плоткин, И. Твердов, Н. Закиров, А. Акимов. «Источник бесперебойного питания. Патент №2332770». 4. Клапанно-регулируемые свинцово-кислотные аккумуляторные батареи серии FG. Техническое руководство Fiamm. СИЭЛТ. М. 2007.

Электронные компоненты №3 2010

Микросхемы ЦАП фирмы Maxim Integrated Products НАТАЛЬЯ КРИВАНДИНА, менеджер по продукции Maxim Integrated Products, ЗАО «КОМПЭЛ» Фирма Maxim разрабатывает и производит микросхемы ЦАП свыше 20 лет. Сегодня она выпускает, пожалуй, самую широкую номенклатуру данного класса — более 500 типов, среди которых — ЦАП с разрешением от 4 до 16 разрядов: от самых простых и дешевых, в корпусах SOT23, до сложных высокоточных 16-разрядных многоканальных устройств для промышленных измерений. Обзор знакомит читателя с основными классами микросхем ЦАП, а также с новинками, разработанными фирмой за последние годы.

Микросхемы ЦАП широко используются во многих приложениях, где требуется цифровая регулировка напряжения и тока или синтез аналоговых сигналов произвольной формы. Основные параметры ЦАП — точность (определяется разрядностью, линейностью и погрешностью); быстродействие; тип интерфейса; диапазон питающих напряжений; диапазон выходного сигнала; тип выходного сигнала (ток/напряжение); потребляемая мощность и стоимость. Существенным при выборе может стать наличие или отсутствие встроенного источника опорного напряжения. Цена в первую очередь зависит от разрядности, точности, быстродействия, числа каналов и типа корпуса. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЦАП

Микросхемы ЦАП, представленные на сайте Maxim, условно разделены на классы: микросхемы малой и средней разрядности: до 12 разрядов (261 тип); микросхемы большой разрядности — от 12 до 16 разрядов (235 типов); высокоскоростные ЦАП с частотой преобразования выше 1 МГц (43 типа); схемы выборки и хранения аналогового сигнала (схемы расширения каналов ЦАП) (4 типа). Кроме того, в отдельных классах представлены цифровые потенциометры (140 типов), цифровые программируемые делители напряжений и аудиокодеки (находятся в разделе Audio), которые также представляют собой микросхемы цифро-аналогового преобразования. ИНТЕРФЕЙС ДАННЫХ, РАЗРЯДНОСТЬ И ЧИСЛО КАНАЛОВ

Компания Maxim выпускает ЦАП с параллельными и с последовательными интерфейсами. Параллельный

интерфейс, как правило, используется для скоростных ЦАП. Для высокочастотных ЦАП, работающих в гигагерцовом диапазоне, используется дифференциальный интерфейс LVDS. Последовательные интерфейсы (SPI, I2C) более предпочтительны для большинства применений с управляющим микроконтроллером, поскольку требуют меньшего числа проводников и допускают простое каскадирование микросхем. В таблице 1 представлены возможные варианты выбора ЦАП Maxim по числу каналов, разрядности и типу интерфейсов. НЕЛИНЕЙНОСТЬ И ПОГРЕШНОСТЬ ЦАП

Интегральная нелинейность (ИНЛ) представляет собой отклонение передаточной функции ЦАП от линейной. ИНЛ определяется для каждой ступени передаточной функции и измеряется числом младших значащих разрядов (МЗР). Наличие нелинейности обусловлено особенностями технологического процесса. У недорогих ЦАП ее значение может достигать 20…40 МЗР. Однако эту нелинейность можно скомпенсировать программно, поскольку она стабильна во времени и носит регулярный характер. Для прецизионных ЦАП используется лазерная подгонка делителей, которая и обуславливает их большую цену. Однако благодаря такой подгонке нелинейность высокоточных ЦАП удается снизить до 1 МЗР. Дифференциальная нелинейность (ДНЛ) — отклонение передаточной характеристики от идеальной. Здесь важна монотонность характеристики ЦАП. Кроме того, передаточная характеристика практически не должна меняться от времени, что достигается технологическими приемами изготовления микросхемы. Погрешность смещения — значение на выходе ЦАП при нулевом коде. Эта погрешность обусловлена паразитными токами утечки. Для компенсации погреш-

Таблица 1. Разрешение, число каналов и типы интерфейсов Число каналов

Разрешение (разрядность)/тип интерфейса ≤8

Последовательный Параллельный

Последовательный –

Последовательный Параллельный

Последовательный –

2/3

Последовательный Параллельный

Последовательный –

Последовательный Параллельный

Последовательный –

–

Последовательный –

Последовательный Параллельный

Последовательный –

Последовательный Параллельный

–

Последовательный –

Последовательный Параллельный

Последовательный –

– Параллельный

–

16/32

–

Последовательный –

WWW.ELCP.RU

ности смещения требуется внешняя схема калибровки. Калибровка производится управляющим микроконтроллером при запуске устройства или время от времени, или вручную — при настройке. ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Источником опорного напряжения (ИОН) определяется как диапазон выходных значений, так и точность ЦАП. Выпускаются как варианты ЦАП, рассчитанные на работу с внешним опорным источником, так и со встроенным ИОН. Для прецизионных ЦАП, как правило, используется внешний источник, позволяющий реализовать высокую точность и температурную стабильность выходных параметров ЦАП. ТИП ВЫХОДНОГО КАСКАДА

Параметры выходного каскада определяются типом выхода (напряжение/ток — voltage/current) и наличием буферного (buffered/non-bufferеd) усилителя. Для ЦАП с токовым выходом предусмотрены варианты с различным направлением выходного тока (втекающий/вытекающий — sink/source). Практически во всех современных ЦАП Maxim используется выходной буферный усилитель, наличие которого позволяет сократить число дополнительных внешних компонентов. НЕДОРОГИЕ 6-РАЗРЯДНЫЕ ЦАП В КОРПУСЕ SOT23 С НИЗКИМ ПОТРЕБЛЕНИЕМ

Микросхема MAX5365 является недорогим ЦАП низкой разрядности со встроенным ИОН на 2 В. Ее основные параметры:

предустановка в ноль при включении питания; широкий диапазон напряжений питания — 2,7….5,5 В; режим пониженного энергопотребления с током менее 1 мкА; 3-проводный SPI/QSPI/MICROWIRE-совместимый интерфейс; низкий потребляемый ток — 230 мкА. 16-РАЗРЯДНЫЕ ЦАП MAX5204–MAX5207

Микросхемы этой серии отличает низкое потребление и умеренная для 16-разрядного разрешения цена. Их основные параметры: последовательный 3-проводный SPI/QSPI/MICROWIREсовместимый интерфейс; выходной сигнал — напряжение; выходная схема rail-to-rail (размах выходного сигнала равен питающему напряжению); внешний ИОН; напряжение питания — 5 В (MAX5204 и MAX5205); 3,3 В (MAX5206 и MAX5207); низкий ток потребления — 500 мкА; интегральная нелинейность — 20…40 МЗР; температурная компенсация во всем рабочем диапазоне температур; функция автоматической начальной установки на ноль (MAX5205 и MAX5207) или середину шкалы (MAX5204, MAX5206). Микросхема поставляется в 10-выводном микрокорпусе μMAX размером 5×3 мм. Выпускаются исполнения для расширенного температурного рабочего диапазона (–40…105°С).

Электронные компоненты №3 2010

Рис. 1. Структурная схема программируемого делителя MAX5430/5431

Рис. 2. MAX5426 – интегральный набор программируемых делителей для согласованной и прецизионной регулировки коэффициента усиления инструментального усилителя, реализованного на тройке ОУ

МНОГОКАНАЛЬНЫЕ ЦАП

Многоканальные ЦАП используются в системах автоматического измерения для синтеза тестсигналов. В номенклатуре Maxim — свыше 300 типов ЦАП с числом каналов 2—32, разрядностью 8—16, с последовательным или параллельным интерфейсом. Из них только 16-разрядных ЦАП — 50 наименований. Для примера рассмотрим структуру 32-канальных ЦАП MAX5762–MAX5765 на 16 разрядов, имеющих DSPсовместимый последовательный интерфейс с тактовой частотой до 33 МГц. Каждый канал имеет индивидуальные настройки коэффициента усиления и смещения. Для минимизации шумов переходных процессов при смене выходного сигнала предусмотрены двойные входные буферы. Выходной буфер имеет импеданс 10 кОм. Благодаря встроенной схеме температурной компенсации выходное напряжение ЦАП стабильно во всем диапазоне рабочих температур. Для увеличения числа каналов можно каскадировать нескольких микросхем в цепоч-

WWW.ELCP.RU

ку (daisy chain). Предусмотрен режим обратного считывания загружаемых данных по последовательному каналу (reedback). СХЕМЫ ВЫБОРКИ/ХРАНЕНИЯ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ ЦАП

Альтернативным вариантом для расширения числа каналов ЦАП может быть использование многоканальных схем выборки/хранения с мультиплексорами. В отдельных случаях этот вариант может оказаться более выгодным по сравнению с многоканальным ЦАП. В данном варианте используется один ЦАП. Преобразование выполняется последовательно для каждого канала, а полученные данные в аналоговом виде записываются через коммутатор в каскад выбранной аналоговой памяти. Следует учесть, что в отличие от многоканальных ЦАП, в этом случае смена данных в каналах происходит не одновременно, а последовательно по мере защелкивания схем выборки.

Рис. 3. Структурная схема HART-модема DS8500

Maxim выпускает четыре типа микросхем выборки/ хранения — MAX5165/66/67/68 . Все они имеют 32 канала выборки/хранения и один аналоговый вход, кроме микросхемы MAX5166, у которой есть 4 аналоговых входа, благодаря чему она может работать сразу с четырьмя ЦАП. Достоинство схем расширения — высокая линейность и точность передачи сигнала — не хуже 0,01%. МИКРОСХЕМЫ ЦАП С ТОКОВЫМ ВЫХОДОМ

Для ряда применений требуется получение на выходе ЦАП токового сигнала. Например, это может понадобиться при измерении вольтамперных характеристик транзисторных структур. В номенклатуре Maxim присутствует несколько типов таких микросхем, например, DS4422/ DS4424. В их структуре реализовано два или четыре канала ЦАП с источниками токовыми. Направление выходного тока программируется на втекающий (sink) или вытекающий (source). Внешний резистор Rfso устанавливает диапазон выходного тока. Для каждого из направлений тока доступно 31 значение шкалы. Напряжение питания — 2,7… 5,5 В.

в схемах с ручным изменением положения движка цифрового потенциометра без участия микроконтроллера. Есть и уникальные «высоковольтные» цифровые потенциометры, которые обеспечивают работу резистивного делителя в цепях с напряжением до 15,5 В. Среди цифровых потенциометров Maxim можно отметить уникальные недорогие типы MAX5527/MAX5528/ MAX5529 с однократно программируемым положением движка, используемые в качестве подстроечного резистора. Сопротивления потенциометров — 10, 50 и 100 кОм. Число положений делителя — 32 (MAX5427/ MAX5428/MAX5429) или 64 (MAX5527/MAX5528/MAX5529). ЦИФРОВОЙ ПОТЕНЦИОМЕТР ДЛЯ АУДИОАППАРАТУРЫ, РЕГУЛИРУЕМЫЙ КНОПКАМИ «БОЛЬШЕ»/«МЕНЬШЕ»

Микросхема MAX 5440 — цифровой регулятор громкости и баланса для портативных и автомобильных аудиосистем. Регулировка производится с помощью ручки энкодера и двухрежимных кнопок. Потенциометры имеют логарифмическую передаточную характеристику. В микросхеме реализован драйвер светодиодной индикацией шкалы громкости или баланса.

ЦИФРОВЫЕ ПОТЕНЦИОМЕТРЫ

Микросхемы цифровых потенциометров в ряде случаев более предпочтительны для применения по сравнению с обычными ЦАП, в частности, в качестве замены обычным механическим потенциометрам. Хотя в большинстве случаев для аналогового управления можно использовать и обычные ЦАП, структура цифровых потенциометров проще; не требуется высокая точность, как в прецизионных ЦАП; цифровой потенциометр способен запоминать установленное значение при выключении питания. В линейке цифровых потенциометров Maxim представлены как многоканальные (до 6 каналов), так и одноканальные микросхемы; как с функцией встроенной памяти NVRAM для хранения установки потенциометра после выключения питания, так и без нее. Сопротивление такого «цифрового потенциометра» может быть различным (как правило, из ряда 10, 50 и 100 кОм) и иметь как линейную, так и логарифмическую (для аудиоприложений) передаточную характеристику. Все цифровые потенциометры имеют последовательный интерфейс SPI или I2C, за исключением микросхем, которые ориентированы на использование

ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ДЕЛИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЙ

Микросхемы программируемых резистивных делителей напряжений (см. рис. 1, 2) являются еще одной разновидностью цифровых потенциометров. Они предназначены для регулировки коэффициентов усиления в PGA (programmable gain amplifier). Выбор коэффициента деления осуществляется установкой перемычек и может осуществляться без участия микроконтроллера. Резистивный делитель выполнен с высокой точностью. DS1851 — СДВОЕННЫЙ ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМЫЙ ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ТЕМПЕРАТУРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Эта оригинальная разработка Maxim представляет собой микросхему двухканального ЦАП для автоматического температурного управления без участия микроконтроллера. Микросхема содержит два ЦАП, последовательный интерфейс I2C, температурный датчик и преобразователь в цифровой сигнал, а также NVRAM с предварительно записанным профилем выходных напряжений для управления внешним

Электронные компоненты №3 2010

устройством в соответствие с измеренной температурой среды. Диапазон температурного датчика –40…95°C. Цикл измерения — 10 мс. Температурные коэффициенты (по одному на каждые 4 градуса шкалы) сохраняются в памяти. Они могут быть запрограммированы всего один раз на стадии регулировки готового устройства, в дальнейшем не требуя участия микроконтроллера. ЦАП имеет NVRAM для сохранения состояния перед выключением питания. Выходные сигналы могут использоваться для управления исполнительными механизмами или термокомпенсации в измерительных устройствах, например, для изменения зарядного тока в зависимости от температуры. Основной класс устройств, на которые ориентирована микросхема — датчики силы и давления, акселерометры, датчики влажности, пьезорезистивные датчики. МИКРОСХЕМЫ ЦАП С ВЫХОДОМ «ТОКОВАЯ ПЕТЛЯ»

«Токовая петля» до сих пор широко применяется в качестве аналогового интерфейса с различными датчиками в системах промышленной автоматики/сбора данных. Фирма Maxim предлагает широкий выбор микросхем для реализации передачи данных методом «токовой петли». Для реализации типовой схемы в качестве ЦАП можно использовать микросхему из семейства MAX5134– MAX5139. Эта серия преобразователей состоит из одиночных, сдвоенных и счетверенных 16- и 12-разрядных ЦАП, которые полностью совместимы программно и имеют буферизированный rail-to-rail выход напряжения. Сдвоенные и счетверенные микросхемы совместимы и по выводам. Микросхема MAX15501 обеспечивает защищенный, программно конфигурируемый (с использованием последовательного интерфейса SPI) аналоговый выход. Диапазон выходного тока может быть не только однополярным 0…20/4…20 мА, но и биполярным — до ±24 мА. Также есть возможность реализации выхода одно- и биполярного напряжения с компенсацией сопротивления соединительных проводов и диапазонами 0…5, 0…10 В или до ±12 В. Напряжение питания может быть в пределах ±15…32,5 В. HART-МОДЕМ

Микросхема DS8500 (см. рис. 3) представляет собой интегральный HART-модем для реализации стандартного интерфейса, используемого в устройствах промышленной автоматики. Выходной ЦАП обеспечивает минимальный уровень искажений выходного синусоидального сигнала, а цифровая обработка входного FSK-сигнала — надежную передачу данных в условиях сильных помех. Микросхема питается напряжения 2,7…3,6 В и потребляет не более 285 мкА, что позволяет использовать ее в измерительных преобразователях с питанием от токовой петли. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ЦАП

В группу высокочастотных ЦАП Maxim входят ЦАП с частотами преобразования 40 МГц…4 ГГц. В этих ЦАП используется только параллельный интерфейс, в ряде случаев — дифференциальные сигналы управления. Данный класс ориентирован на применение, в основном, в схемах радиочастотного диапазона, в частности — для осуществления цифрового управления квадратурной амплитудной модуляцией.

WWW.ELCP.RU

12-разрядный сверхбыстродействующий ЦАП MAX19692 работает на частоте до 2,3 ГГц и обеспечивает прямой синтез высокочастотного широкополосного сигнала, в несколько раз превышающего критерий Найквиста. Следующая разработка (модификация этой микросхемы) — MAX9693 при той же разрядности обеспечивает работу уже на частоте 4 ГГц. Микросхема имеет параллельный 12-разрядный дифференциальный LVDS-интерфейс с ПЛИС или заказными высокочастотными микросхемами. Микросхема выполнена в компактном 169-выводном корпусе csBGA размером 11×11 мм. Область применения высокочастотных ЦАП: генераторы сигналов произвольной формы (AWG); тестовое оборудование автоматизированного контроля; цифровой синтез радиопередающих устройств (канал передатчика); прямой цифровой синтез частот в радиоканале вплоть до 2 ГГц; синтез сигналов для радарных систем. MAX5881 — МИКРОСХЕМА 12-РАЗРЯДНОГО ЦАП С БЫСТРОДЕЙСТВИЕМ 4,3 Гвыб./с

Микросхема MAX5881 12-разрядного ЦАП предназначена специально для прямого синтеза радичастот в многоканальных системах с квадратурной амплитудной модуляцией сигналов (QAM) и предназначена для кабельных модемов систем передачи данных. Диапазон синтезируемых частот — 50 МГц…1 ГГц соответствует регламенту Data-Over-Cable Service Interface Specification (DOCSIS®) кабельных систем передачи данных. Микросхема содержит четыре 12-разрядных мультиплексных входных порта данных с дифференциальной передачей (LVDS) , каждый из которых работает на частоте 1075 MГц в режиме с удвоением скорости (DDR) или же в режиме QDR с увеличением скорости в 4 раза. MAX5881 обеспечивает выдачу внешнего сигнала синхронизации LVDS-потока для упрощения интерфейса с FPGA или ASIC, в которых производится синтез радиочастоты. Напряжение питания 3,3 и 1,8 В с потреблением 1,3 Вт при частоте 4,3 Гвыб./с. Корпус — 169-выводный CSBGA имеет размер 11×11 мм. АУДИО-ЦАП И АУДИОКОДЕКИ

Этот класс микросхем Maxim предназначен для использования в трактах аудиоустройств: MP3-плееров, медиапроигрывателей, CD/DVD-плееров, автомобильных аудиосистем. В микросхемах этого класса используются 16- и 18-разрядные ЦАП. Управляющий интерфейс — I2C, а интерфейс передачи цифрового звука — стандартный I2S. Выпускаются микросхемы как со встроенным выходным усилителем, так и ИС, рассчитанные на работу с внешним УНЧ. В аудиокодеках (5 типов) есть встроенные стереоусилители микрофонов и наушников. Диапазон питающих напряжений — 1,71…3,6 В.

ЛИТЕРАТУРА 1. Аналоговая токовая петля — решения от компании Maxim. А.Андрусевич // КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ, № 8, 2009 2. Обзор цифроаналоговых преобразователей Maxim. К.Староверов // Новости Электроники, №13, 2006 3. Application Note 1964 DS1851: Varactor Temperature Compensation

Цифровые потенциометры компании On Semiconductor АНДРЕЙ НИКИТИН, технический консультант В статье идет речь об основных группах цифровых потенциометров компании On Semiconductor. Подробно рассмотрена одна из таких групп – цифровые потенциометры с управлением Up/Down. Описаны и новые изделия, анонсированные летом 2009 года. Значительная часть электронных схем, особенно аналоговых, содержит элементы, предназначенные для подстройки характеристик при наладке или для оперативного управления при использовании аппаратуры. Для этих целей использовались электромеханические переменные и подстроечные резисторы. Заменой электромеханическим резисторам с подвижным контактом, имеющим ограниченные возможности, относительно большие габариты, требующим ручной установки в необходимое положение, становятся цифровые потенциометры. КЛАССИФИКАЦИЯ

Рассмотрим основные критерии, по которым можно классифицировать цифровые потенциометры: – Наличие или отсутствие энергонезависимой памяти. В первом случае, при включении питания будет автоматически восстановлено последнее используемое значение. Во втором — заранее определенное начальное значение (как правило, соответствующее половине диапазона). Третий вариант — возможность однократно «прошить» в постоянную OTP-память иное начальное значение, отличное от значения, заданного производителем. – Интерфейс управления. Могут использоваться либо стандартные интерфейсы I2C или SPI, либо, так называемое «кнопочное управление» — Up/Down Control, которое будет рассмотрено ниже. – Количество потенциометров в корпусе. В номенклатуре компании ON Semiconductor представлены изделия с 1, 2 или 4 потенциометрами.

– Разрешающая способность или количество положений движка. Как правило, число, равное степени 2. В продукции ON Semiconductor представлены потенциометры с разрешающей способностью от 16 до 256. Иногда используются «некратные» значения, например 100. В микросхемах, управляемых по интерфейсу, используются большие значения (64, 128, 256). В микросхемах с «кнопочным управлением» без энергонезависимой памяти — малые (16 и 32), а с памятью — промежуточные (от 32 до 128). Поскольку номенклатура цифровых потенциометров компании ON Semiconductor достаточно широка (более 300 микросхем и 35 семейств), то не имеет смысла приводить таблицы с параметрами. Параметрический поиск доступен на сайте производителя www.onsemi.com. Продукция, в соответствии с этими критериями, была объединена в группы, что иллюстрируется рисунком 1. К другим параметрам отнесем: – Полное сопротивление потенциометра (сопротивление между крайними положениями H и L). Обычно используются значения 10, 50 или 100 кОм. Реже — 1; 2,5 и 32 кОм. – Допустимое напряжение между выводами H и L. Принципиальное отличие цифровых потенциометров от переменных резисторов заключается в том, что напряжение между выводами H и L не может быть выше регламентированного. Как правило, оно равно напряжению питания Летом 2009 года компания ON Semiconductor выпустила два новых изделия: CAT5171 и CAT5172 — цифровые потенциометры с разрешением на 258 положений без энергонезависимой памяти, с интерфейсами, соответственно, SPI и I2C.

Рис. 1. Основные группы цифровых потенциометров компании ON Semiconductor

Электронные компоненты №3 2010

Рис. 2. Диаграммы двух методов управления Up/Down

самой микросхемы (обычно 2,7…5,5 В). Исключением являются семейства САТ5132 и САТ51323 — при величине питания до 5,5 В, напряжение между выводами H и L может достигать 16 В. – Функциональная характеристика. В большинстве случаев эта характеристика (зависимость сопротивления между выводами W и L от управляющего кода) линейна, то есть предполагается, что все резисторы в цепочке имеют одинаковое сопротивление. Исключением является семейство CAT5116, в котором реализована логарифмическая характеристика. – Нелинейность характеристики. Она определяется реальным отклонением резисторов в цепочке от номинального значения. Есть и другие параметры: температурный коэффициент сопротивления; отклонение полного сопротивления; сопротивление движка. Они имеют тот же смысл, что и для традиционных переменных резисторов, и приведены в документации производителя на конкретную микросхему. УПРАВЛЕНИЕ UP/DOWN

Отметим, что управление Up/Down используется только для моделей с одним потенциометром в корпусе (одинарные). Применение этого управления в «многоканальных» микросхемах привело бы к существенному увеличению внешних выводов. Наиболее простыми являются цифровые потенциометры с управлением Up/Down. В продукции компании ON Semiconductor реализованы три модификации такого управления: – Управление по двум линиям CS и U/D; – Управление по трем линиям CS, U/D и INC; – Управление по двум линиям Up и Down. УПРАВЛЕНИЕ ПО ДВУМ ЛИНИЯМ CS И U/D

Назначение линии CS (активный низкий) заключается в том, что отрицательный перепад фиксирует направление изменения сопротивления, которое (изменение сопротивления) возможно только при низком уровне сигнала. При высоком уровне сигнала изменения сопротивления не происходит. Линия U/D в момент отрицательного перепада сигнала CS определяет направление изменения сопротивления (при низком уровне — уменьшение, при высоком — увеличение). При низком уровне сигнала CS положительный перепад сигнала U/D приводит к изменению сопротивления на один дискрет (в направлении, определенном ранее). Рассмотрим диаграмму А на рисунке 2. В момент 1 состояние сигнала CS из высокого становится низким. Поскольку состояние линии U/D высокое, то опреде-

WWW.ELCP.RU

ляется направление на повышение. В моменты 2 положительный перепад сигнала U/D приводит к увеличению сопротивления (напряжение между нижней точкой L и средней точкой W потенциометра растет). В момент 3 положительный перепад сигнала CS запрещает дальнейшее изменение сопротивления. В моменты 4 по положительному перепаду сигнала U/D ничего не происходит, поскольку состояние сигнала CS высокое. В момент 5 состояние сигнала CS переходит из высокого в низкий, но в этот раз состояние линии U/D низкое, следовательно, определяется направление на понижение. Соответственно, в моменты 6 положительный перепад сигнала U/D приводит к уменьшению сопротивления. Данный метод реализован в микросхемах CAT5110, CAT5118…CAT5127 и CAT5128. УПРАВЛЕНИЕ ПО ТРЕМ ЛИНИЯМ CS, U/D И INC

Данный метод (иллюстрируется диаграммой Б на рисунке 2) более прост в понимании, но в реализации занимает на одну линию больше. Сигнал CS только запрещает (при высоком уровне) или разрешает (при низком уровне) изменение состояния потенциометра. Сигнал U/D только задает направление изменения: низкий уровень — на понижение, высокий — на повышение. Любые изменения состояния могут происходит только по отрицательному перепаду сигнала INC. Если при этом на линии CS низкий уровень, а на линии U/D высокий — сопротивление растет. На линии CS низкий уровень, и на линии U/D низкийуровень — сопротивление уменьшается. Если на линии CS высокий уровень, то отрицательный перепад сигнала INC никаких изменения сопротивления не вызывает. Данный метод реализован в микросхемах CAT5111… CAT5116 и CAT5133. УПРАВЛЕНИЕ ПО ДВУМ ЛИНИЯМ UP И DOWN

Данный способ управления заставляет вспомнить о простейшем RS-триггере. Отрицательный перепад сигнала Down вызывает уменьшение сопротивления, а отрицательный перепад сигнала Up — соответственно, его повышение. При этом в первом случае предполагается, что на линии Up — высокий уровень. А во втором случае, соответственно, предполагается, что высокий уровень — на линии Down. На временных диаграммах из документации производителя [4] эти условия выполняются, то есть все хорошо. А если что-то не выполняется? С одной стороны, в документации производителя ясно указано: срабатывание по отрицательному перепаду сигнала Up произойдет «если и только» на линии Down будет высокий уровень. Про срабатывание по отрицательному перепаду сигнала Down каких-то ограни-

чений не приведено. Надо понимать, что оно произойдет в любом случае, а как на самом деле… Метод реализован только в одной микросхеме CAT5128. Цифровые потенциометры с управлением Up/Down без энергонезависимой памяти В данную группу входят (см. рис. 1) три микросхемы (CAT5120, CAT5121 и CAT5122) с разрешающей способностью 16 положений и восемь микросхем (CAT5110, CAT5115, CAT518, CAT5119, CAT5123, CAT5124, CAT5125 и CAT5128) на 32 положения. Обобщенная структура цифровых потенциометров этого типа приведена на рис. 3. Рассмотрим ее работу. Сигналы управления (две или три линии, показанные цифрами 1, 2 и 3) поступают на схему управления, которая, при необходимости, формирует сигналы инкремента и декремента реверсивного счетчика (показан счетчик для 32 состояний). Выходы счетчика дешифрируются, и замыкается один из ключей. Например, для состояния 0 будет замкнут нижний ключ, и сопротивление между выводами W и L будет равно нулю, а между W и H — будет максимальным. С инкрементом счетчика сопротивление между W и L будет расти, а между W и H — уменьшаться. При каждом выключении питания текущее состояние не запоминается. При каждом включении питания формируется сигнал PoR, который загружает счетчик неизменяемым стартовым значением (Обычно, половина диапазона — в рассматриваемом случае 16). Отметим также, что на рисунке 3 представлен обобщенный случай, а именно, если контакты питания не связаны с выводами потенциометра, то вывод L не связан с общим проводом Gnd, а вывод H — с питанием Vcc. Такая схема требует наличия семи- или восьмивыводного корпуса и из рассматриваемых устройств реализована лишь в CAT5115 (управление по трем линиям), CAT5128. Остальные устройства размещены в пяти- или шестивыводных корпусах за счет организации внутренних коммутаций, которые представлены на рисунке 4.

Рис. 3. Обобщенная структура цифровых потенциометров с управлением Up/ Down без энергонезависимой памяти

Рис. 4. Внутренние коммутации в цифровых потенциометрах с управлением Up/Down без энергонезависимой памяти ЦИФРОВЫЕ ПОТЕНЦИОМЕТРЫ С УПРАВЛЕНИЕМ UP/ DOWN С ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМОЙ ПАМЯТЬЮ

В данную группу входят (см. рис. 1) четыре микросхемы (CAT5112, CAT5114, CAT5127 и CAT5129) с разрешающей способностью 32 положения, три микросхемы (CAT5111, CAT5113 и CAT5116) на 100 положений и CAT5133 на 128 положений. Обобщенная структура цифровых потенциометров этого типа приведена на рисунке 5.

Электронные компоненты №3 2010

Рис. 5. Обобщенная структура цифровых потенциометров с управление Up/ Down с энергонезависимой памятью

требуемое значение. При этом нет необходимости помнить текущее состояние и думать «в какую сторону крутить потенциометр». Кроме того, естественным образом увеличилась разрешающая способность — длительность установки перестала зависить от того, насколько сильно надо изменить положение «движка»: на 3 дискретных шага или на 30. Интерфейс выполнен в простейшем варианте сдвигового регистра и легко реализуется как с помощью микроконтроллера, так и на жесткой логике. Число выводов микросхемы (если сравнивать с полным вариантом CAT5115) не изменилось. Потенциометр CAT5171 реализован с использованием более сложного двунаправленного I2C. За счет этого появляются дополнительные возможности: он позволяет считать текущее состояние в целях контроля. Кроме того реализованы функции: принудительный возврат в среднее состояние и функцию Shutdown, то есть разрыв цепи резисторов между положениями H, W, L. Интерфейс I2C — тривиальный атрибут современных микроконтроллеров, и его реализация также не вызывает сложностей. Другие дополнительные преимущества: – Возможность реализации нескольких потенциометров в одном корпусе. Ранее каждый из потенциометров требовал своих линий управления, что увеличивало число выводов. – Возможность чтения как регистра начальных значений, так и счетчика текущего состояния. – Возможность реализации вариантов работы — например, прямой переход и инкремент по шагам. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Рис. 6. Структурные схемы цифровых потенциометров CAT5171 и CAT5172

По сравнению с рисунком 3 добавлена энергонезависимая память, которая по своему функциональному назначению является регистром. В этот регистр перезаписывается значение реверсивного счетчика при снятии сигнала CS. При выключении питания состояние счетчика теряется, но продолжает храниться в регистре. При следующем включении питания формируется сигнал PoR, который загружает счетчик последним значением. Отметим также отличительную особенность CAT5127 и CAT5129 — они обеспечивают длительное сохранение сопротивления после отключения электроэнергии. ЦИФРОВЫЕ ПОТЕНЦИОМЕТРЫ С УПРАВЛЕНИЕМ ПО ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ ИНТЕРФЕЙСАМ

Рассмотрим те преимущества и возможности, которые вносят последовательные интерфейсы при управлении цифровыми потенциометрами. Летом 2009 г. компания ON Semiconductor выпустила два новых изделия: CAT5171 и CAT5172 — цифровые потенциометры с разрешением на 258 положений без энергонезависимой памяти, с интерфейсами, соответственно, SPI и I2C. Структурные схемы потенциометров представлены на рисунке 6. Рассмотрим потенциометр CAT5172. Как видим, интерфейс SPI однонаправленный, то есть микросхема только принимает данные. Самое существенное достоинство — это возможность прямого задания управляющего кода. Потенциометры с управлением Up/Down не обеспечивали возможности чтения текущего состояния счетчика. Следовательно, в реальной системе состояние приходилось дублировать вне потенциометра. В таких потенциометрах было необходимо контролировать число циклов инкремента (декремента), необходимых для установления требуемого кода. Сама реализации одного цикла была достаточно сложна. При подозрениях на сбойную ситуацию привести потенциометр в среднее положение было возможно только при снятии питания. В случае с CAT5172 возможности считать текущее состояния также нет, но есть возможность непосредственно записать

WWW.ELCP.RU

Области применения цифровых потенциометров в настоящее время весьма разнообразны, назовем некоторые из них: – Подстройка «тонких» датчиков: давления, температуры, положения, оптических датчиков; – Цифровая регулировка усиления; – Регулировка частоты и скважности генераторов; – Регулировка громкости в аудиосистемах; – Регулировка смещения нуля в усилителях; – Реализация регулируемых источников опорного напряжения; – Регулировка выходного напряжения стабилизаторов; – Регулировка контрастности ЖК-индикаторов; – Замена электромеханических потенциометров на цифровые аналоги. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Словосочетание «цифровые потенциометры» у большинства отечественных разработчиков прочно ассоциируется с компаниями Maxim Integrated Products и Analog Devices. Безусловно, названные компании заметны на этом направлении. Но и в компании ON Semiconductor оно возникло не на пустом месте. Купив в 2008 году компанию Catalyst Semiconductor, ONSemi существенно дополнила свою номенклатуру. EEPROM-память и цифровые потенциометры — для нее направления новые. Однако мы видим, что практически не обновлявшаяся с 2004 года линейка цифровых потенциометров Catalyst дополнилась новыми изделиями в целевых нишах. Безусловно, следует ожидать дальнейшего развития этого направления в продукции ON Semiconductor. ЛИТЕРАТУРА 1. Ридико Л. Цифровые потенциометры//Компоненты и технологии, №5, 2001. 2. Шитиков А. Цифровые потенциометры от Dallas Semiconductor//Компоненты и технологии, №8, 2001. 3. Андрусевич А. Управление потенциалом. Цифровые потенциометры Maxim/Dallas//Новости электроники, №15, 2006. 4. CAP5128. 32-Tap Digital Up/Down Control Potentiometer// Документ компании On Semiconductor Doc. No. MD-2128 Rev. C (CAT5128-D.pdf).

СИЛОВЫЕ ОПТОТИРИСТОРЫ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И РЕГУЛЯТОРОВ С ФАЗОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ. Часть 1 ЕВГЕНИЙ СИЛКИН, к.т.н., с.н.с., ген. директор, ЗАО «Элси» Повышенная помехоустойчивость оптронных тиристоров относится к их потенциальным преимуществам. При использовании силовых оптотиристоров в регулируемых преобразователях электрической энергии не снижаются требования к качеству и надежности работы их систем импульсно-фазового управления (СИФУ). Недопустимы сбои в СИФУ и (или) подача сигналов управления при отрицательных напряжениях на вентилях. Выпрямители и регуляторы на оптронных тиристорах нельзя выполнять с системами управления и регулирования, осуществляющими непрерывную подачу управляющих сигналов одновременно на все или часть вентилей, например пакетную на повышенной частоте без обязательного контроля полярности напряжения на них. приводах постоянного и переменного тока, электротехнологических и электрофизических установках как эффективные усилители мощности [1—8]. Управляемые выпрямители обладают высокими энергетическими и регулировочными характеристиками и высоким быстродействием. В настоящее время в качестве силовых вентилей в управляемых выпрямителях применяются полупроводниковые приборы, чаще всего обычные тиристоры в виде дискретных элементов или в виде модулей и сборок. Тиристор для гальванической развязки силовых и информационных цепей и реализации управления, как известно, требует применения специальных управляющих схем, называемых выходными каскадами, формирователями импульсов или драйверами. Основным назначением схемы драйвера является формирование в цепи управления тиристора в заданный момент времени импульса тока с требуемыми значениями амплитуды и длительности. Только на первый взгляд это простая задача. Стремление использовать оптическую развязку привело к созданию современных фото- и оптотиристоров на большие токи и напряжения [9, 10, 13–18]. Достоинством таких приборов является именно эффективная развязка информационной или управляющей и силовой цепи. Управляющие драйверы для приборов с развязкой по оптическому каналу могут иметь более простое устройство, по сравнению с драйверами обычных тиристоров. Оптическая развязка позволяет не только значительно упростить управление, но и повышает помехоустойчивость выпрямителей большой мощности и знергоемких систем автоматического управления на их основе, в частности,

высоковольтных систем. Однако при создании энергоемких устройств на фото- и оптотиристорах требования к качеству проектирования СИФУ не снижаются. Наибольшие возможности по обеспечению эффективной гальванической развязки силовой и информационной частей и высокой помехоустойчивости САУ достигаются, конечно же, в устройствах на фототиристорах. Оптронные тиристоры, в силу специфики конструкции, занимают промежуточное положение между фототиристорами и обычными тиристорами с управляющим электродом. Оптотиристоры состоят из силового кремниевого (Si) фототиристора и управляющего светодиода малой мощности, как правило, излучающего в инфракрасном диапазоне 0,9…1,2 мкм на основе арсенида галлия (GaAs). Таким образом, два полупроводниковых элемента объединены в одну конструкцию. Выводы излучающего светодиода в приборе электрически изолированы от силовых выводов. Такие тиристоры выпускаются в корпусах штыревого исполнения либо в виде модульных конструкций, имеющих также изолированное основание (см. рис. 1).

Рис. 1. Конструкция и электрическая схема модульной сборки полумоста на оптронных тиристорах

Электронные компоненты №3 2010

87 ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Параметры сигналов управления должны соответствовать требованиям паспорта и технических условий на приборы и тщательным образом оптимизироваться. Рекомендации статьи применимы также к преобразовательным устройствам на фототиристорах и обычных тиристорах с управляющим электродом. Обычные тиристоры (SCR) представляют собой одно из старейших поколений «твердотельных» управляемых статических ключей, которое, однако, не превзойдено по показателям эффективности и надежности при использовании в преобразовательной технике больших и сверхбольших мощностей. Несмотря на интенсивное развитие и многообразие современных силовых электронных приборов, тиристоры продолжают уверенно занимать свою нишу в силовой электронике больших мощностей. Тиристоры разделяются на симметричные и асимметричные. В подавляющем большинстве применений прибор должен выдерживать обратное напряжение и иметь симметричную вольтамперную характеристику в выключенном состоянии. К таким применениям относятся преобразователи и регуляторы с фазовым управлением, например, выпрямители — самые энергоемкие и массовые устройства современной силовой электроники. Асимметричные тиристоры используются лишь в ограниченном ряде преобразовательных систем, где не требуется блокирующая способность в обратном направлении. Управляемые выпрямители являются вентильными преобразователями электрической энергии одно- или многофазного переменного тока в постоянный ток. Они используются в различных системах автоматического управления (САУ), в т.ч. в электро-

При освещении полупроводника в нем возникают электронно-дырочные пары, участвующие в увеличении тока через прибор. Необходимая для переключения фототиристора мощность светового потока зависит от глубины залегания переходов под поверхностью полупроводника, скорости поверхностной и объемной рекомбинации и возрастает с увеличением длины волны. Эффективность генерации носителей определяется не только спектром излучения светодиода, но и конструктивными особенностями прибора: диаграммой направленности; углами и местом падения пучка излучения; отношением площади оптического окна к общей площади кристалла; устройством светового канала и свойствами используемых материалов. Полупроводниковая структура фототиристора практически ничем не отличается от структуры обычного тиристора с управляющим электродом, за исключением возможного изменения глубин залегания и степени легирования отдельных слоев для снижения, например, величины требуемого заряда управления. В настоящее время доступны дискретные низкочастотные приборы и оптотиристорные модули на токи до 1 кА и напряжения до 2,4 кВ, что позволяет создавать, например, управляемые выпрямители с выходной мощностью в несколько мегаватт (для напряжений стандартных промышленных сетей 50, 60 и 400 Гц). Ведутся также и разработки быстродействующих оптронных тиристоров на рабочие частоты выше 500 Гц. Достигнутый уровень серийных промышленных разработок отражает таблица 1 (в ней и далее использована стандартная «справочная» система условных обозначений [9—12] параметров тиристоров).

ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Наиболее распространенным в области средних и больших мощностей регулируемого преобразования (до 1…2 мВт) переменного тока в постоянный является трехфазный мостовой полностью управляемый выпрямитель, известный также под другим названием как простая трехфазная схема Ларионова. Определение «полностью управляемый» означает только то, что все шесть основных вентилей трехфазного моста выполняются управляемыми. Сам же выпрямитель может быть с фазовым управлением, то есть являться управляемым и регулируемым или не иметь фазового регулирования выходного напряжения (управляемый нерегулируемый выпрямитель). Трехфазный мост Ларионова состоит из двух групп основных вентилей: катодной и анодной. При выполнении одной из групп на диодах или на управляемых вентилях, но без фазового регулирования, получаем т.н. полууправляемый трехфазный мостовой выпрямитель. В качестве силовых управляемых вентилей в схеме Ларионова можно использовать оптронные тиристоры. Самым сложным вариантом регулирования для трехфазных мостовых схем является фазовое регулирование полностью управляемого выпрямителя, работающего на «индуктивную» нагрузку. На каждый вентиль при углах управления α, превышающих 60 град. эл., и индуктивной нагрузке (а также нагрузке с противо-ЭДС или при работе выпрямителей в составе двухзвенных и многозвенных преобразователей, в т.ч. преобразователей частоты с явно выраженным звеном постоянного тока) СИФУ вырабатываются и подаются строго синхронизированные с питающей сетью сдвоенные импульсы управления длительностью (τ)

Таблица 1. Паспортные электрические характеристики сильноточных оптотиристорных модулей, характеризующие уровень серийных разработок

до 18 град. эл. каждый (или управляющие импульсные последовательности до 60 град. эл.). Сдвоение импульсов осуществляется подачей основного или «своего» и дополнительного импульса управления от канала, вступающего в работу вентиля. Оно является обязательным, обеспечивающим запуск и правильное функционирование устройства на основе регулируемой трехфазной мостовой схемы Ларионова. Для снижения уровня пульсаций выходного напряжения и повышения коэффициента мощности (cos φ) управляемого выпрямителя при глубоком фазовом регулировании и работе на индуктивную нагрузку мост в ряде случаев шунтируют встречным (нулевым) диодом. Однако более эффективной, но реже применяемой, является имитация работы нулевого или, по-другому, демпферного вентиля основными управляемыми вентилями. В этом варианте реализации алгоритм управления трехфазного моста еще более усложняется за счет необходимости обеспечить подачу на вентили за период трех импульсов управления (при углах α более 60 град. эл.). Но значимым преимуществом полностью управляемого выпрямителя с имитацией нулевого вентиля является возможность нормального перевода его в инверторный или зависимый режим в случае аварии или простого отключения, что нельзя осуществить при наличии реально установленного демпферного диода. К другому немаловажному достоинству следует отнести упрощение и возможное удешевление схемы за счет исключения «лишнего» силового вентиля. В области больших и сверхбольших (более одного мегаватта) мощностей находят применение также и составные или многопульсные выпрямители с последовательным и параллельным соединением полностью управляемых трехфазных мостов (см. рис. 2). Это

Тип при- МТОТО-160 МТОТО9/3-250 5П103ТТ-100 (ЗАО СмМТОТО-1000 бора (ОАО «Оптрон(ООО «Элемент«Протон-Импульс», (ОАО «КЭТЗ Диод», Ставрополь», Преобразователь», Россия) Киргизия) Параметр Россия) Украина) UDRM/URRM, В 400…1600 800…1200 400…2400 400…1600 450…1800 900…1300 450…2640 450…1800 UDSM/URSM, В 160 100 1000 250 IT(AV), A ITSM, кA 3,20 (10 мс) 1,50 (10 мс) 24,0 (10 мс) 6,00 (10 мс) 2,50 2,84 2,50 2,50 UIZ, кВ UТМ, В 2,00 1,75 2,00 (3100 ) 1,65 (785 ) 15/15 (100°С) 6/6 (125°С) 50/50 (125°С) 20/20 (100°С) IDRM/IRRM, мА (duD/dt)crit, В/мкс 1000 100 20…1000 50…1000 70 160 200 – (diD/dt)crit, A/мкс IGT, мА 80 60 (25°С) 250 (25°С) 80 (25°С) IGTM, мА 250 – 300 250 UGT, В 2,5 1,6 – 1,8 UGD, В 0,90 0,80 – 0,9 100 150 – – tq, мкс 100 125 125 100 ТJM Rthjc,°С/Вт 0,15 0,30 0,035 0,105 W, кг 0,500 0,140 4,150 0,300

Рис. 2. Полностью управляемый выпрямитель с последовательным соединением трехфазных мостов (двенадцатипульсный)

WWW.ELCP.RU

определенную и, в некоторых случаях, довольно большую длительность (τ). Поэтому максимальный угол управления (αmax) должен устанавливаться меньше граничного (180 град. эл.), соответственно, на величину, превышающую τ (т.е. αmax < 180 – τ), что имеет принципиальное значение для любых типов используемых в выпрямителе тиристоров, в т.ч. оптронных. Когда тиристор находится под обратным напряжением, не существует опасности его включения как при положительном, так и при отрицательном (для прибора с управляющим электродом) значении тока управления iG. Однако одновременное воздействие прямого или положительного тока iFG управления и обратного напряжения UR создают опасность для тиристорной структуры в другом отношении. Из-за т.н. транзисторного эффекта в четырехслойной полупроводниковой p-n-p-n-структуре обратный ток утечки IR при приложении к тиристору обратного напряжения UR (если протекает прямой ток управления iFG) резко возрастает и начинает значительно превышать свое номинальное гарантированное или паспортное значение. Даже для сравнительно малой величины iFG (для силовых вентилей менее 1 А) последний может вызвать увеличение токов утечки IR свыше 100 мА уже при комнатной температуре (TJ = 25°C), т.е. в десятки

и сотни раз. В результате резкого возрастания потерь мощности это явление легко приводит к повреждению структуры, и его следует избегать во всех режимах работы тиристора, а также учитывать при установлении длительности τ импульса управления и определении или регулировании его фазы. В реальных САУ с выпрямителями иногда используют способ непрерывной, или пакетной, подачи импульсов управления одновременно на все вентили схемы (управляемый нерегулируемый выпрямитель), например с повышенной частотой. Выпрямитель в этом случае ведет себя как устройство, выполненное на обычных диодах. То есть, в схеме включается и начинает проводить ток тот силовой вентиль, потенциал на аноде которого в данный момент времени выше, чем потенциал на катоде. В таких устройствах может быть реализована сравнительно эффективная и быстродействующая «сеточная» защита простым снятием импульсов управления вентилями и, с этой целью, применение способа пакетной подачи вполне оправдано. Однако без принятия специальных мер надежность преобразовательного устройства может существенно снизиться. В преобразователях частоты серий ППЧ (НПП «Курай», г. Уфа) и ТПЧ (ОАО ОКБ «Искра», г. Ульяновск), имеющих двухзвенную структуру на основе трехфазного мостового полностью управляе-

89 ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

позволяет не только получить требуемые токи и напряжения на нагрузке, но и обеспечить ряд дополнительных преимуществ, обусловленных повышенными пульсностями схем. Принципы их работы, в основном, подобны обычному трехфазному мостовому выпрямителю, выполненному по схеме Ларионова. В трехфазной схеме Ларионова с демпферным диодом при работе на «существенно индуктивную» нагрузку (основной вид) выходное напряжение всегда знакопостоянное. Интервал проводимости управляемого вентиля составляет 120 град. эл. Обратное напряжение к вентилю может прикладываться в момент его выключения при малых углах (α) либо по истечении интервала проводимости демпферного диода (или имитирующего его управляемого вентиля моста) при углах α, превышающих 60 град. эл. Таким образом, максимальный угол управления αmax, при котором импульсы управления не подаются на вентили, находящиеся под отрицательным напряжением, составляет не более 180 град. эл. от точки «естественной» коммутации. А момент перехода линейного напряжения через нуль в отрицательную область значений является той временной границей, за которую, при регулировании угла α, сигналы управления выходить не должны. Однако импульсы управления в практически реализуемых САУ, как было отмечено выше, имеют

Электронные компоненты №3 2010

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика оптронного тиристора 12-го класса типа ТО242-80-12 (Tj = 20°C, iFG = 0, IT(AV) = 80 A)

ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

мого нерегулируемого выпрямителя и однофазного инвертора, предназначенных для питания токами повышенных частот электротехнологических установок различного назначения, в выпрямителях при промышленной сети 380 В используются обычные низкочастотные тиристоры с управляющим электродом, соответственно, 13-го и 18-го класса по напряжению и многократным запасом по току [3, 4]. Импульсы управления на тиристоры в этих преобразователях подаются одновременным (пакетным) способом на высокой частоте, соответствующей выходной частоте инвертора. В процессе эксплуатации (мощности устройств 250 и 200 кВт), несмотря на высокий класс, наличие нескольких защитных цепей от перенапряжений, запасы по току и жидкостное охлаждение вентилей, происходят довольно частые отказы выпрямителей. Обеспечить требуемую высокую надежность работы устройств не удается. В преобразователях классической серии ТПЧ (фирма ESTEL, г. Таллинн) аналогичного назначения при напряжении стандартной сети (380 В) в выпрямителе используются тиристоры 16-го класса с очень большим запасом по току и эффективным жидкостным охлаждением [5, 6]. Фазовое регулирование полностью управляемого выпрямителя по трехфазной схеме Ларионова в этом преобразователе осуществляется в довольно широких пределах — до 80%. Имитация работы нулевого вентиля производится основными вентилями моста. Выпрямитель имеет общую мощную защитную цепь тиристоров от перенапряжений. Кроме того, между анодом и управляющим электродом каждого тиристора включены защитные варисторы. В процессе эксплуатации (устройства мощностью 320 кВт) частота отказов тиристоров выпрямителя оказывается не ниже, чем частота отказов быстродействующих тиристоров в инверторе, работающих на повышенной частоте и имеющих значительно меньшие запасы по напряжению и току. Причина частых отказов выпрямителей в рассмотренных примерах одна

WWW.ELCP.RU

и та же и она заключается в неправильном управлении силовыми вентилями выпрямителя. При использовании пакетного способа управления в преобразователях для электротехнологических установок советской серии СЧГ (ЛОЭЗ ВНИИТВЧ, г. Ленинград) выпрямители по трехфазной мостовой схеме выполнялись на тиристорах с последовательно включенными диодами [7, 8]. Преобразователи частоты этого типа (мощностью до 250 кВт) считались одними из самых надежных в эксплуатации. А последовательное соединение было применено в них именно для исключения отрицательного влияния подачи импульсов управления на интервалах обратных напряжений на вентилях. Устанавливаемые тиристоры в СЧГ при напряжении питающей сети 380 В имели класс не выше 10-го. Несанкционированная подача сигналов управления при отрицательном напряжении на тиристорах в выпрямителе может быть вызвана сбоями в СИФУ, выходом за установленные пределы угла управления α, изменением порядка чередования фаз питающей сети, переходными процессами. Ухудшение свойств тиристоров с управляющим электродом и снижение надежности при непрерывной подаче импульсов (сигнала) управления и отрицательном напряжении на них известно как «снижение класса». Однако класс прибора по напряжению, т.е. наименьшее из значений повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии UDRM и повторяющегося импульсного обратного напряжения URRM, классификационный параметр, определяемый при установленных регламентирующими документами режимах испытаний, в т.ч. при разомкнутом управляющем электроде и отсутствии сигнала управления, не снижается. Способность тиристорной структуры выдерживать прямое и обратное напряжение может характеризоваться напряжением переключения U(BO) и пробоя (загиба) U(BR) (см. рис. 3). Существует, как известно, несколько типов пробоя полупроводниковых структур, от которых эти параметры зависят различным образом. И величины U(BO), U(BR) в рассматриваемом случае могут не измениться или даже увеличиться с ростом температуры структуры TJ и токов утечки ID, IR. При работе преобразователей на вентилях возникают коммутационные перенапряжения, превышающие по амплитуде напряжения в нормальных статических режимах. Для этих случаев в справочных данных на тиристоры приводятся значения неповторяющихся импульсных: напряжения в закрытом состоянии UDSM и обратного напряжения URSM, которые не должны превышаться при любых режимах эксплуатации.

С целью обеспечения надежной работы силовых полупроводниковых приборов в реальных системах их обычно выбирают с запасом по напряжению, т.е. устанавливают рабочее напряжение несколько меньшим повторяющегося. Этот запас характеризуется параметрами импульсных рабочих: напряжения в закрытом состоянии UDWM и обратного напряжения URWM. Используется еще два классификационных параметра тиристоров по напряжению: постоянное напряжение в закрытом состоянии UD и постоянное обратное напряжение UR. Эти величины характеризуют работу приборов в т.н. ждущем режиме, например в цепи постоянного тока. Через тиристорную структуру при этом протекают постоянные: прямой ID (ток утечки в закрытом состоянии) или обратный IR ток утечки. Выделяемая в приборе мощность от токов утечек (ID, IR) может достигать предельных значений и вести к перегреву. Для исключения перегрева постоянные напряжения, прикладываемые к прибору в ждущих режимах (UD, UR), должны быть ограничены (UD < UDWM, UR < URWM). Соответственно, важными дополнительными критериями, определяющими годность прибора при импульсных напряжениях, т.е. способность выдерживать напряжение, определяемое в соответствии с маркировкой по классу, могут являться повторяющиеся импульсные: ток в закрытом состоянии IDRM и обратный ток IRRM. Эти параметры также измеряются в стандартных режимах испытаний при разомкнутой цепи управления (iFG = 0). На рисунке 3 изображена вольтамперная характеристика образца силового оптотиристора типа ТО242-80-12, имеющего маркировку 12-го класса в диапазонах допустимых для него токов утечек (ID, IR) при температуре перехода TJ = 20°C и отсутствии сигнала управления (iFG = 0). Как видно, токи утечек ID, IR, IDRM, IRRM в этих условиях очень малы (IDRM = 1,7 мкА, IRRM = 1,9 мкА). Значения токов утечек определяются дефектами структуры в объеме и на поверхности, искусственными омическими шунтировками, токами, обусловленными тепловой генерацией носителей. При повышении температуры (TJ) токи утечек (ID, IR, IDRM, IRRM) возрастают. Для тиристоров из кремния они приблизительно удваиваются на каждые 10…11К. Но даже при максимальной температуре (TJ = TJM) токи утечек правильно спроектированного исправного прибора остаются сравнительно небольшими. Совсем иначе обстоит дело, когда при приложении обратного напряжения UR к тиристору одновременно подается прямой сигнал управления iFG (импульс электрического тока или

способность выпрямителя из-за выхода оптотиристорных модулей из строя, если напряжение питающей сети превышало 150 В. При этом разработчиками были выполнены практически все рекомендации предприятия-изготовителя по применению данных приборов. Каждый вентиль имел индивидуальные демпферные цепи защиты от перенапряжений и кламп на основе быстрых оксидных варисторов. Выпрямитель был также оснащен общей относительно качественно спроектированной и достаточно энергоемкой входной снабберной RCVDцепью. Максимальные токи вентилей в ходе испытаний не превышали 20 А. На рисунках 4—7 приведены осциллограммы импульсов напряжений uFG и токов iFG управления вентилями, вырабатываемых СИФУ и драйверами САУ, и их фронтов. Из осциллограмм видно, что скорости нарастания напряжения duFG/dt и тока diFG/dt управления (см. рис. 5, 7) находятся в пределах установленной нормы, а амплитуды импульсов напряжения uFG и тока iFG управления (см. рис. 4, 7) соответствуют требованиям паспорта на приборы. Незначительный колебательный процесс, наблюдавшийся на начальной части (см. рис. 5, 7) импульсов напряжения uFG и тока iFG, явно не оказывал влияния на качество управления. Для оптотиристоров, как и для обычных тиристоров с управляющим электродом, отсутствуют рекомендуемые огра-

ничения по diFG/dt сверху. Практическим же ограничением для этого параметра является собственная индуктивность цепи управления оптотиристора. Быстрый и точный запуск фототиристора во времени требует значительного усиления светового потока с малым фронтом нарастания. Импульс тока светодиода с крутым передним фронтом гарантирует одновременность включения всей полупроводниковой структуры. Слабый импульс создает опасность возникновения локальных участков протекания анодного тока, что может приводить к разрушению структуры фототиристора из-за локальных перегревов. Как правило, производители требуют, чтобы скорость нарастания тока управления diFG/dt оптотиристора была не менее 0,5…1,0 А/ мкс. Это весьма жесткое ограничение. Но указанные рекомендации, как уже отмечено выше, были выполнены. Вопрос об амплитуде импульсов тока управления остается открытым. Фототиристор является биполярным полупроводниковым прибором, который управляется током, в отличие, например, от приборов типа МОSFЕТ или IGВТ, управляемых напряжением. Конечно, в оптотиристоре мы имеем дело с током светодиода, но ток светодиода «преобразуется» (пересчитывается) в электрический заряд или, соответственно, ток управления фототиристора. Драйвер оптотиристора, как и обычного

Электронные компоненты №3 2010

91 ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

энергия света). В этом случае токи утечек IR (IRRM) возрастают значительно. Следует заметить, что мощность потерь от протекающих через структуру неограниченных токов утечек (IR, IRRM) выделяется на отдельных ее участках неравномерно. Это может приводить к наиболее опасным процессам локальных перегревов. При проектировании на одном из отечественных предприятий преобразователя частоты мощностью 47 кВт для электротехнологии «стандартной» схемотехники с явно выраженным звеном постоянного тока в выпрямителе были использованы оптотиристорные модули 12-го класса [13—15] на средний ток 80 А (промышленная питающая сеть 380 В). Выпрямитель выполнялся по трехфазной мостовой полностью управляемой и регулируемой схеме Ларионова с предустановленным нулевым вентилем и имел «общепринятый» алгоритм управления. Оптотиристорные модули на ток 80 А выпускаются несколькими производителями силовых полупроводниковых приборов (см. табл. 2) довольно продолжительное время [13—18]. На их основе принципиально можно реализовать регулируемые выпрямители с выходной мощностью 100…200 кВт (в зависимости от параметров питающей сети по напряжению). Однако на первом этапе испытаний нового преобразователя выяснилось, что даже для очень малых выходных токов невозможно обеспечить работо-

Рис. 5. Фронт импульса напряжения управления uFG оптотиристором модуля М2ТОТО-80-12

Рис. 4. Осциллограмма импульса напряжения управления uFG оптотиристором модуля М2ТОТО-80-12 реальной СИФУ Рис. 6. Осциллограмма импульса тока управления iFG оптотиристором модуля М2ТОТО-80-12

Таблица 2. Паспортные характеристики оптотиристорных модулей на ток 80 А Тип МТОТО1-80 М2ТОТО-80 5П103ТТ-80 СмМТОТО-80 МТОТО4/6-80 прибо- (ОАО «Оптрон- (ОАО «Электро- (ЗАО «Протон- (ОАО «КЭТЗ (ООО «Элементра Ставрополь», выпрямитель», Импульс», Диод», ПреобразоваПараметр Россия) Россия) Россия) Киргизия) тель», Украина) UDRM/URRM, В 1200/1200 1350/1350 1340/1340 1300/1300 1350/1350 1300/1300 UDSM/URSM, В IT(AV), А 80 130 (70°С) 120 (60°С) 125 130 180 (60°С) ITRMS, А ITSM, кА 1,35 (10 мс) 1,65 (10 мс) 1,35 (10 мс) 1,70 (10 мс) 1,65 (20 мс) UIZ, кВ 2,0 2,50 2,84 2,50 2,00 1,70 (250 А) 1,75 (250 А) 1,85 (250 А) 1,75 (250 А) UТМ, В IDRM/IRRM, мА 2/3 (25°С) 7/7 (25°С) 2/2 (25°С) 1/1 (25°С) 5/5 (25°С) IDRM/IRRM, мА 5/6 (100°С) 15/15 (100°С) 6/6 (125°С) 3/3 (125°С) 20/20 (100°С) 1000 100 500 1000 (duD/dt)crit, В/мкс (diD/dt)crit, А/мкс 100 40 160 200 100 100 300 80 100 100 IH, мА IGT, мА 80 100 (25°С) 60 (25°С) 80 (25°С) 600 (100 мкс) 400 (100 мкс) 500 (100 мкс) 250 (1 мс) 700 (100 мкс) IGTM, мА UGT, В 2,0 1,6 2,0 UGD, В 0,90 0,25 0,80 0,90 URGM, В 2,0 7,0 2,5 7,0 tq, мкс 100 160 150 250 100 110 125 100 ТJM 0,24 0,45 0,30 0,36 0,30 Rthjc,°С/Вт W, кг 0,14 0,20 0,14

Таблица 3. Электрические параметры оптотиристорных модулей М2ТОТО-80-12 (режимы стандартных измерений) ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

№ п/п прибора Параметр UDRM, URRM, В U(ВО) (TJ = 25°С), В ID (U(BO), TJ = 25°С), мкA IDRM/IRRM (TJ = TJM = 110°С), мА UIZ (TJ = 25°С), кВ UIG (TJ = 25°С), кВ UТМ (250 A), В IGT (TJ = 25°С), мА UGT (TJ = 25°С), В (duD/dt)crit (TJM), В/мкс

4 8,2 12,1 12,2 1200 2044 1870 1970 1935 1940 1980 1950 2070 3,5 2,8 2,5 2,6 3,5 3,0 2,9 13,6 0,4 0,6 0,4 1,1

1,2

5,1

8,1

5 6 15,1 15,2 17,1 17,2 2040 1940 2030 1920 3,0 2,9 2,6 1,2 0,4 0,3 0,4

2,50 1,36 1,38 1,33 1,43 1,36 1,38 1,36 1,37 1,43 1,41 1,35 1,38 55 59 62 51 57 64 69 61 67 66 56 1,29 1,30 1,33 1,32 1,29 1,30 1,32 1,31 1,32 1,29 320 500 1000

тиристора, должен быть источником тока iFG требуемой формы, поступающего в цепь светодиода (цепь управления).

WWW.ELCP.RU

5,2

В этом случае напряжение uFG между управляющими выводами светодиода является функцией полного входного

Рис. 7. Фронт импульса тока управления iFG оптотиристором модуля М2ТОТО-80-

сопротивления оптотиристора по цепи управления. Параметр «отпирающее постоянное напряжение управления» UGT, в определенном смысле, для потребителя бесполезен. Поэтому некоторые производители тиристоров обычно приводят для характеристики управления данные по требуемым параметрам тока iFG, а не напряжения управления uFG. Однако этого нельзя сказать относительно параметра «максимальное обратное напряжение на управляющем электроде» URGM оптотиристора. Величины URGM (см. табл. 2), как и UGT, для оптотиристоров низки, что является их недостатком, и это следует учитывать. Относительно низкими являются и величины неотпирающего постоянного напряжения управления UGD. Были проведены дополнительные испытания нескольких приборов М2ТОТО-80-12 из партии по принятым стандартным методикам и измерены их электрические характеристики (см. табл. 3). Из анализа данных таблицы 3 следует, что все приборы (№№1, 5, 8, 12, 15, 17) имеют гораздо более качественные параметры, чем установлено паспортом, характеризующиеся сравнительно высокой повторяемостью и стабильностью. Продолжение см. в ЭК2, 2010 г.

ПОЧЕМУ СТОИТ ПЕРЕХОДИТЬ НА 32-РАЗРЯДНУЮ АРХИТЕКТУРУ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ ДЖОЗЕФ Ю (JOSEPH YIU), инженер-разработчик, ARM Ltd.

В последние годы наблюдается активный переход разработчиков встраиваемых систем на использование 32-разрядной архитектуры. В статье рассматриваются причины такого перехода и преимущества, которые при этом получают разработчики. Анализируются особенности 32-разрядных микроконтроллеров и, в частности, микроконтроллеров на базе ядра Cortex-M, в сравнении с 8- и 16-разрядными процессорами. Обсуждаются проблемы портирования программного обеспечения на 32-разрядные микроконтроллеры. Статья представляет собой перевод [1]. цена на ARM-микроконтроллеры значительно снизилась за последние 5 лет, появляется все больше недорогих и даже бесплатных инструментов разработки. Выбор МК на базе ARM-ядра является также наилучшей инвестицией по сравнению с другими архитектурами. Программный код, разработанный для ARM-устройств, можно использовать в течение ряда лет для микроконтроллеров, предлагаемых большим числом поставщиков. Так как ARM-архитектура распространяется все шире, то становится все проще найти инженерапрограммиста с опытом разработки ARM-устройств, чем других архитектур. РАЗРЯДНОСТЬ КОМАНД ПРОЦЕССОРА

Многие полагают, что 8-разрядные МК используют 8-битовые команды, а 32-разрядные — 32-битовые команды. На самом деле, многие команды 8-разрядных МК имеют разрядность 16, 24 бит или другую, например, микроконтроллер PIC18 имеет длину команд 16 бит. Даже для устаревшей архитектуры 8051 наряду с командами длиной

1 байт, существую команды длиной 2 или 3 байта. То же самое относится и к 16-разрядной архитектуре: некоторые команды для микроконтроллера MSP430 имеют длину 6 байт (или даже 8 байт для MSP430X). ARM-процессоры Cortex-M3 и Cortex-M0 основаны на технологии Thumb-2, которая обеспечивает превосходную плотность кода. Данная технология поддерживает набор команд Thumb, который включает 16-битные команды, а также 32-битные команды, которые обладают функциональностью расширенной 16-битной версии команд. В большинстве случаев компилятор C будет использовать 16-битную версию команды, несмотря на то, что операция может выполняться только с помощью 32-битной версии. Рисунок 1 иллюстрирует разрядность команд различных процессоров. В программе, скомпилированной для процессоров Cortex-M, число 32-битных команд занимает лишь небольшую часть от общего количества команд. Например, 32-битные команды в программе теста Dhrystone, скомпилированной для Cortex-M3, занимают только 15,8% от

Рис. 1. Длина команды в различных процессорах

Электронные компоненты №3 2010

93 СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

Самой важной причиной движения в сторону 32-разрядных микроконтроллеров (МК) является усложнение встраиваемых устройств под влиянием требований рынка. Так как встраиваемые продукты становятся все более функционально насыщенными, 8- и 16-разрядные МК не позволяют обеспечить требуемую производительность. Даже если 8- и 16-разрядные МК отвечают требованиям сегодняшних проектов, возможности дальнейшей модернизации таких устройств и повторного использования программного кода в будущих разработках уменьшаются. Следующей причиной является то, что разработчики встраиваемых систем начинают все более ясно осознавать преимущества перехода на 32-разрядные МК, которые обеспечивают не только более чем десятикратное превосходство в производительности, но также позволяют снизить энергопотребление, уменьшить размер программы, ускорить разработку программного обеспечения и многократно его использовать. Еще одной причиной является возможность широкого выбора и доступность МК на базе ARM. В настоящее время все больше поставщиков МК предлагают приборы на базе ARMпроцессора. Эти продукты обеспечивают широкий выбор периферии, производительности, объема памяти, типов корпусов, стоимости и т.д. Кроме того, процессоры на базе ARM-ядра Cortex-M имеют ряд функций, специально ориентированных на различные приложения. Эти особенности позволяют использовать микроконтроллеры на базе ARM в самых различных сферах применений. В то же время,

всего числа команд (средняя длина команды равна 18,53 бит). Для Cortex-M0 доля 32-битных команд еще меньше — 5,4% (средняя длина команды равна 16,9 бит). ЭФФЕКТИВНОСТЬ НАБОРА КОМАНД

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

Эффективность использования набора команд Thumb в ARM-процессоре Cortex-M также весьма высока. Например, множественные команды загрузки и хранения, а также команды введения в стек (push) и извлечения из стека (pop) в микроконтроллерах на базе ARM позволяют выполнять несколько пересылок данных с помощью одной команды. Кроме того, мощные режимы адресации позволяют упростить доступ к памяти в ARM-микроконтроллерах. Например, доступ к памяти может быть осуществлен с помощью таких режимов адресации в одной команде, как регистровое смещение, прямое смещение, относительная адресация от PC или адресация по указателю стека (эффективная для локальных переменных). Доступны также дополнительные функции, например, автоматическая настройка указателя памяти. Все ARM-процессоры весьма эффективны при манипуляции с 8- и 16-битными данными. В распоряжении имеется весь набор компактных команд доступа к памяти для 8-, 16- и 32-битных данных со знаком и без знака. Кроме того, имеется ряд команд, специально предназначенных для преобразования типов данных. В общем, обработка 8- и 16-битных данных в ARM-процессорах также проста и эффективна, как и 32-битных данных. Микроконтроллеры на базе ядра Cortex-M предоставляют широкие возможности для условного исполнения команд. Помимо полного набора условий ветвления для всех типов данных со знаком и без знака, которые доступны на всех ARM-микроконтроллерах, процессоры Cortex-M3 также обеспечивают условное исполнение команд и выполнение совмещенных команд сравнения и ветвления. Как Cortex-M0, так и Cortex-M3 поддерживает 32-битные однотактные множественные операции. Кроме того, микроконтроллеры на базе Cortex-M3 также поддерживают операции целочисленного деления, операции с насыщением, операции 32- и 64-битного умножения и аккумулирования (MAC), а также ряд операций над битовым полем.

МИФЫ 8-РАЗРЯДНЫХ ПРИЛОЖЕНИЙ

Многие разработчики встраиваемых систем ошибочно полагают, что их приложение выполняет обработку только 8-битных данных, поэтому нет необходимости переходить на 32-разрядные процессоры. Однако, взглянув в руководство для компилятора C, можно обнаружить, что в действительности в 8-разрядных МК простые целочисленные данные являются 16-битными. Поэтому каждый раз, когда выполняется целочисленная операция или при обращении к библиотеке функций C, которая требует выполнения целочисленной операции, выполняется обработка 16-битных данных. 8-разрядное процессорное ядро вынуждено выполнять последовательность команд и использовать дополнительные такты для обеспечения требуемой производительности. Та же ситуация применима и к указателям. В большинстве 8- и 16-разрядных МК необходимо, по крайней мере, 16 бит для указателя адреса. Это число может увеличиться при использовании групповых указателей памяти в 8051-процессоре или использовании переключения банков памяти или подобные ему методы, чтобы преодолеть барьер памяти объемом 64 Кбайт. В результате, в 8-разрядных системах обработка указателей памяти может быть весьма неэффективна. Так как каждая целочисленная переменная в регистровом банке занимает несколько регистров, использование 8-разрядных МК также приводит к увеличению числа циклов доступа к памяти, т.е. использованию дополнительных операций чтения/записи памяти и операций со стеком. Как это выглядит при выполнении какого-либо определенного теста? Например, результаты компилирования программы теста Dhrystone для различных архитектур с оптимизацией размера кода представлены в таблице 1. Большинство приложений выигрывают при переходе на микроконтроллеры на базе Cortex-M благодаря уменьшению объема кода и, как следствие, снижению стоимости устройства из-за меньшей требуемой памяти. Уменьшенный размер кода ARM-микроконтроллеров влияет на производительность, а также потребляемую мощность и стоимость. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И ПОТРЕБЛЯЕМАЯ МОЩНОСТЬ

Одна из причин, по которой разработчики переходят с 8- и 16-разряд-

Таблица 1. Результаты компилирования программы Dhrystone на различных процессорах Микроконтроллер Программный инструмент Объем выходного двоичного кода, число байт

WWW.ELCP.RU

C8051F320 SiliconLabs

Cortex-M0

Cortex-M3

Keil μVision 3.8PK51 8.18 RVDS 4.0-SP2 RVDS 4.0-SP2 3186

912

900

ных МК на 32-разрядные, заключается в необходимости улучшения производительности. Менее очевидным является тот факт, что переход на применение ARM-микроконтроллеров обеспечивает также снижение энергопотребления и увеличение срока службы батарей. Сравним производительность МК различных архитектур. Распространенным способом сравнения производительности процессоров является использование теста Dhrystone. Он является бесплатным, кроме того, простым и достаточно компактным для использования в микроконтроллерах с весьма небольшим объемом памяти (хотя это и не идеальный тестовый пакет). Производительность первых процессоров 8051 была всего 0,0094 DMIPS/ МГц. Новые модификации процессора 8051 имеют несколько лучшие показатели. Например, процессор Maxim 80C310 имеет производительность 0,027 DMIPS/МГц, а самые быстрые микропроцессоры 8051 — 0,1 DMIPS/ МГц. Это все же намного меньше производительности микроконтроллеров на базе ARM Cortex-M: для процессора Cortex-M3 этот показатель равен 1,25 DMIPS/МГц, а для Cortex-M0 — 0,9 DMIPS/МГц. Производительность микроконтроллера PIC18 равна 0,02 DMIPS/МГц, т.е. меньше, чем у некоторых процессоров 8051. 16-разрядные процессоры Microchip также более чем наполовину уступают микроконтроллерам на базе ARM Cortex-M3. Ограничения 8- и 16-разрядных МК

Проблемой, которая вызывает неэффективность многих 8- и 16-разрядных микроконтроллеров, является ограниченный набор команд и моделей программирования. Например, работа процессора 8051 в значительной степени основана на использовании аккумулятора (ACC) и указателя данных (DPTR) для передачи и обработки данных. В результате, появляется необходимость в использовании команд перемещения данных в/из ACC и DPTR, что приводит к увеличению размера кода и количества тактов исполнения команд. Интерфейс памяти также ограничивает производительность 8- и 16-разрядных процессоров. Например, многие команды процессора 8051 имеют длину несколько байт. Так как интерфейс памяти программ является 8-разрядным, то для выборки таких команд нужно выполнить несколько циклов считывания. Производительность 8- и 16-разрядных МК еще больше снижается, если требуется осуществить доступ к памя-

МОЩНОСТЬ ПОТРЕБЛЕНИЯ МК

ARM-микроконтроллеры на базе ядра Cortex-M потребляют меньше энергии, чем многие 8- и 16-разрядные микроконтроллеры. В ARM-процессорах реализованы многие методы, позволяющие снизить потребляемую мощность. Например, процессоры Cortex-M0 и Cortex-M3 поддерживают различные дежурные режимы работы и функцию sleep-on-exit (которая позволяет процессору возвращаться в спящий режим сразу по завершении обработки прерывания). Для того, чтобы понять, почему МК на базе Cortex-M могут снизить энергопотребление встраиваемой системы, рассмотрим структуру типичного МК. В современных микроконтроллерах процессорное ядро не занимает самую большую часть площади кристалла (см. рис. 2). Как было сказано выше, плотность кода 8-разрядных микроконтроллеров весьма низка. В результате необходим блок флэш-памяти большего объема, что увеличивает общую потребляемую мощность. Высокая плотность кода ARM-микроконтроллеров позволяет использовать в них меньшие по размеру блоки флэш-памяти и снизить как потребляемую мощность, так и стоимость. Эффективность доступа к памяти

Использование 32-разрядной шины снижает энергопотребление за счет уменьшения числа требуемых циклов

Рис. 2. Использование ARM-процессоров на базе Cortex-M позволяет уменьшить площадь кристалла

обращения к памяти. Для копирования того же объема данных в память 8-разрядный МК требует в четыре раза больше циклов обращения к памяти при большем числе вызовов команд, необходимых для этой операции. Следовательно, даже при одном и том же объеме памяти, 8-разрядный МК потребляет больше энергии для выполнения той же задачи. Выборка команд в МК на базе Cortex-M также намного более эффективна, чем у 8- и 16-разрядных МК, так как каждая выборка команды является 32-разрядной, что позволяет выбирать до двух 16-разрядных команд Thumb за один такт и обеспечивает большую полосу пропускания шины при доступе к данным. При одинаковой длине последовательности команд для 8-разрядного МК необходимы четыре цикла обращения к памяти, а для 16-разрядного — в два раза больше вызовов команд. В результате, 8- и 16-разрядные МК потребляют намного больше энергии, чем микроконтроллеры на базе ARM. Снижение потребляемой мощности за счет уменьшения рабочей частоты

Высокая производительность 32-разрядных МК позволяет снизить потребляемую мощность за счет работы приложения на более низкой тактовой частоте. Например, приложение с рабочей частотой 30 МГц на процессоре 8051 может быть запущено на A R M - м и к р о к о н троллере Cortex-M3 на тактовой частоте 3 МГц, обеспечив при этом тот же уровень производительности.

Снижение потребляемой мощности за счет уменьшения активных циклов

Используя микроконтроллер на базе ARM в дежурном режиме, можно еще больше снизить энергопотребление после завершения выполнения задания. Микроконтроллеры на базе Cortex-M имеют намного более высокую производительность по сравнению с 8- и 16-разрядными МК, поэтому у них имеется возможность завершить задачу и перейти в дежурный режим намного быстрее, что снижает общее число активных циклов в системе (см. рис. 3). РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Разработка программного обеспечения для МК на базе Cortex-M может быть выполнена значительно проще, чем для 8-разрядных устройств. Процессоры на базе Cortex-M полностью программируются на C, а также содержат различные усовершенствованные функции отладки, помогающие обнаружить в программе какие-либо проблемы. Кроме того, в интернете существует огромное число примеров и руководств, а также дополнительных ресурсов, включая наборы разработчиков.

Электронные компоненты №3 2010

95 СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

ти, превышающей 64 Кбайт. Данная архитектура разработана для работы с 16-битными адресами (используются 16-битные счетчики программ, 16-битные указатели данных, а набор команд разработан для поддержки адресного пространства 64 Кбайт). Если требуется память более 64 Кбайт, то необходимы аппаратные и командные издержки для генерации дополнительных адресных бит. Для типового процессора 8051, которому нужно осуществить доступ к памяти более 64 Кбайт, память разделяется на банки, и все коды переключения банков выполняются через фиксированный банк. В результате, увеличение размера кода и числа тактовых циклов может снизить эффективность использования памяти. Некоторые 16-разрядные МК избегают этого с помощью использования счетчика программ большей разрядности или сегментации памяти, но манипулирование большими значениями адресов также требует дополнительных ресурсов и, следовательно, снижает производительность, приводит к увеличению программного кода.

Рис. 3. ARM-микроконтроллеры снижают энергопотребление системы за счет уменьшения длительности активных циклов

Портирование программного обеспечения с 8- и 16-разрядных МК на ARM-микроконтроллеры

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

МК на базе Cortex-M имеют, как правило, большее количество регистров в периферии, чем 8-разрядные МК. Периферийные устройства МК на базе ARM обычно содержат больше встроенных функций и, следовательно, в них доступно большее количество программируемых регистров. Для упрощения программирования поставщики МК на базе ARM предлагают библиотеки драйверов устройств, что позволяет выполнять установку периферийных устройств с помощью всего нескольких вызовов функций. По сравнению с большинством 8- и 16-разрядных архитектур, программирование МК на базе ARM осуществляется гораздо более гибко. Например, нет ограничений для аппаратного стека, доступ к функциям может выполняться рекурсивно (локальные переменные хранятся в стеке, а не в статической памяти) и не нужно беспокоиться о сохранении значений специальных регистров в программе-обработчике прерываний, так как эти значения обрабатываются процессором во время ввода прерывания. Важно корректно использовать типы

данных для конкретной архитектуры процессора: они оказывают существенно влияние на размер кода и производительность системы. Данные разных типов для микроконтроллеров на базе ARM и 8- и 16-разрядных микроконтроллеров отличаются по длине (см. табл. 2). Если приложение зависит от разрядности данных, например, при переполнении целочисленных данных за границу 16 бит, то необходима модификация кода для оптимизации его работы на ARM-микроконтроллерах. Различие в разрядности данных оказывает влияние также и на размер массива данных. Например, массив целых чисел в ПЗУ для приложения на базе 8-разрядного МК можно определить, как const int mydata = {1234, 5678,}. Для систем на базе ARM-микроконтроллере для того, чтобы избежать увеличения объема ПЗУ данное выражение следует изменить на const short int mydata = {1234, 5678,}. Различия в командах с плавающей запятой могут также привести к незначительной разнице в результатах вычислений. Из-за ограниченной производительности 8- и 16-разряд-

Таблица 2. Типы данных для разных архитектур процессоров Длина данных, бит Тип данных

Целочисленный (integer) Перечислимый (enum) Указатель (pointer) С плавающей запятой двойной точности (double precision floating point)

WWW.ELCP.RU

8-/16-разрядные микроконтроллеры

Микроконтроллеры на базе ARM

32 бита (или short int для 16)

8/16

8/16/32

16 и более

32 (одинарная точность)

64 (или float для 32)

ных МК, в случае, когда используется двойная точность, данные обрабатываются с одинарной точностью (32 бита). В микроконтроллерах на базе ARM данные с двойной точностью имеют разрядность 64 бита, следовательно, для 32-битных данных (одинарная точность) следует использовать тип данных с плавающей запятой. Для пользователей процессора Cortex-M3 доступны дополнительные функции отладки с помощью трассировки. Базовый процессор Cortex-M3 поддерживает выборочную трассировку данных, трассировку событий, трассировку исключений и текстовый выходной канал (инструментальную трассировку). Данные трассировки собираются с помощью однопроводного интерфейса Serial Wire Output, который использует разъем JTAG/ Serial Wire при соединении платы с отладочным компьютером. Это обеспечивает сбор полезной информации о ходе выполнения программы с помощью недорогого аппаратного отладчика без необходимости использования дополнительных устройств для трассировки. Многие МК на базе Cortex-M3 также поддерживают технологию Embedded Trace Macrocell (ETM), которая обеспечивает полную трассировку команд. Эта функция позволяет детально анализировать ход выполнения кода приложения, а также профилировать код. Из-за схожести архитектуры процессоров Cortex-M0 и Cortex-M3 имеется возможность разрабатывать и отлаживать приложения на Cortex-M3 с трассировкой команд, а затем портировать приложение на Cortex-M0 лишь с незначительной модификацией. Совместимость программного обеспечения

МК на базе ядра Cortex-M обеспечивают высокий уровень совместимости программного обеспечения. Хотя существует множество поставщиков микроконтроллеров, каждый из которых предлагает собственные библиотеки драйверов устройств, а также много поставщиков компиляторов C, программное обеспечение можно легко портировать с помощью стандарта Cortex Microcontroller Software Interface Standard (CMSIS). Стандартный интерфейс CMSIS включен в библиотеки драйверов устройств МК многих производителей. Он обеспечивает программный интерфейс к функциям ядра, регистрам ядра, а также предоставляет имена для стандартизированного системного обработчика исключений. Программное обеспечение, разработанное с помо-

Таблица 3. Сравнение различных архитектур микроконтроллеров 8051 Производительность

Другие 8-разрядные 16-разрядные архитектуры архитектуры

Другие 32-разрядные архитектуры

Микроконтроллеры на базе ARM Cortex

***

Плотность кода

***

Эффективность обращения к памяти более 64 Кбайт (в собств. системе команд)

***

Векторные прерывания

***

Малое время ожидания прерываний

***

Низкая стоимость

***

Множественные источники (непатентованная архитектура)

***

Выбор компиляторов

***

Совместимость программного обеспечения

***

Малая мощность потребления

щью CMSIS, можно легко портировать между различными МК на базе Cortex-M. Это позволяет осуществлять поддержку встраиваемых ОС или микропрограммных средств, а также компиляторов различных поставщиков. ЗАТРАТЫ ПРИ ПЕРЕХОДЕ НА НОВУЮ АРХИТЕКТУРУ

Сегодня стоимость МК на базе ARM Cortex сопоставима с уровнем цен на 8- и 16-разрядные МК. Для микроконтроллеров на базе ARM Cortex-M доступны недорогие или даже бесплатные наборы разработчика. Переход с 8-разрядных МК на ARM-микроконтроллеры может обеспечить значительно более высокую производительность и позволит разработать сложное программное

обеспечение с малыми затратами. Сравнение различных архитектур микроконтроллеров приведено в таблице 3. В зависимости от требования приложения, можно всегда найти подходящий МК на базе ARM Cortex-M. В случае необходимости введения новых функций, повышения производительности и снижения энергопотребления устройства благодаря совместимости архитектуры процессоров Cortex-M можно без проблем перейти на другие ARM-микроконтроллеры. ЛИТЕРАТУРА 1. Joseph Yiu. What next for microcontrollers?//www.embedded. com

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ | КОМПАНИЯ VECTRAWAVE РАЗРАБАТЫВАЕТ ПЕРВУЮ 40-Гбит/с СХЕМУ, ИСПОЛЬЗУЯ SIGE BICMOS-ПРОЦЕСС ОТ TOWERJAZZ | Глобальная кремниевая фабрика TowerJazz объявила о том, что компания VectraWave разработала первую высокоскоростную 40-Гбит/с схему кодирующего устройства с использованием SiGe BiCMOS-процесса. Компания VectraWave выбрала процесс SBC18HX от TowerJazz, а не традиционный для высокоскоростных схем процесс на базе InP, т.к. он обеспечивает ряд преимуществ для цифровых ИС: более низкую стоимость, меньшую потребляемую мощность, лучшую температурную компенсацию и меньшую общую площадь платы. Лидирующий в отрасли процесс SBC18HX от TowerJazz , кроме того, обладает широким выбором вариантов оптимизации технологии и перспективой дальнейшего улучшения характеристик приборов. Компания VectraWave разрабатывает семейство продуктов, включая высокоскоростные 43-Гбит/с логические ИС, в том числе 43-Гбит/с кодирующие устройства. Компания VectraWave продемонстрировала 43-Гбит/с NRZ/RZ-DPSK-кодер, имеющий площадь кристалла менее 1 кв.мм. Применение данного чипа включает системы синхронизации данных и волоконно-оптической связи. Рынком для устройств компании VectraWave являются высокоскоростные логические схемы для оборудования РЧ-связи и оптоволоконные сети с доступом на дальнем расстояния и в метро со скоростью передачи данных 10…100 Гбит/с. Новое семейство высокоскоростных кодеров позволит обеспечить преобразование из 5…43-Гбит/с стандарта NRZ в специализированный формат кодирования, использующийся волоконнооптическими каналами связи. www.russianelectronics.ru

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

WWW.ELCP.RU

КАК УВЕЛИЧИТЬ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВСТРАИВАЕМЫХ ПРОЦЕССОРОВ АНАТОЛИЙ ТАРАСОВ, техн. консультант, «ИД Электроника» Симметричные многопроцессорные системы постепенно вытесняют однопроцессорные. Однако в мире встраиваемых приложений такая тенденция пока не наблюдается. Предлагаемый способ проектирования встраиваемых систем может помочь разработчикам распределить вычислительные функции по цифровой подсистеме. функциональных блоков: ЦПУ; цифровой блок; аналоговый блок; сеть программируемых межсоединений. Рассмотрим их более подробно. Блок ЦПУ. В него входят процессор (8051 или ARM Cortex M3), система тактирования, схема управления питанием, системная память, а также все поддерживаемые IP-блоки, в т.ч. контроллер прерываний, устройства отладки и контроллер ПДП. Цифровой блок. Цифровая схема семейств PSoC 3 и 5 образована, главным образом, набором гибко программируемых UDB. Цифровой блок является вторым ключевым звеном в формировании системы распределенных вычислений. Блоки UDB используются для реализации стандартных периферийных функций, например ШИМ, таймеров, интерфейсов (UART, SPI и др.) или схемы вычисления контрольной суммы. Наряду с этим, они используются для реализации специальных функций. Именно эта гибкость и объясняет популярность програм-

мируемых СнК в системах распределенной обработки. Как мы уже говорили, аппаратная часть блока UDB состоит из 8-разрядного процессора обработки данных, PLD, схемы тактирования и сброса, блока статуса и контроля (см. рис. 2). Процессор в блоке UDB может выполнять стандартные функции, такие как сдвиг, сложение и сравнение операндов. Через трассировочный канал он соединен с блоком программируемой логики PLD. Матрицы PLD используются для реализации логических функций или таблиц соответствия LUT. Цифровой блок содержит до 24 UDB и матрицу соединений для объединения нескольких UDB и выполнения более сложных и больших функций (см. рис. 3). Аналоговый блок. В семействах PSoC 3 и PSoC 5 имеется высокопроизводительная программируемая аналоговая подсистема, которая содержит все компоненты для законченной

99 МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ И DSP

Рассмотрим способ распределения вычислительных операций на примере программируемых систем на кристалле PSoC 3 (см. рис. 1) и PSoC 5 (Cypress Semiconductor). Данные кристаллы содержат ЦПУ (8051 или ARM Cortex M3), блок DMA и набор универсальных цифровых блоков (UDB). Каждый блок UDB содержит следующие элементы: – процессор для обработки данных; – два мелкоструктурных PLD; – модуль управления и определения статуса; – таймер и модуль сброса. Наиболее эффективное применение таких блоков UDB — использование их в качестве мини-процессоров. Если распределить по ним процесс вычисления, то скорость работы системы в целом повысится, поскольку она освободится от выполнения более простых вычислительных операций. Распределение вычислительного процесса между отдельными блоками имеет ряд преимуществ, самое главное из которых — снижение энергопотребления за счет разгрузки ЦП. Освобождение ресурсов процессора от выполнения простых операций позволяет снизить частоту работы приложения без потери быстродействия. Кроме того, следует учитывать, что ЦП содержит на порядок больше логических элементов, чем UDB, поэтому при выполнении операции на цифровом блоке задействуется меньше логических элементов. Следовательно, расход энергии также сокращается. Частично разгрузив ЦП, мы получаем еще одно преимущество: освободившиеся ресурсы можно направить на выполнение таких задач как, например, операции умножения и деления. АРХИТЕКТУРЫ PSOC 3 И 5

Кристаллы PSoC 3 и PSoC 5 построены на одной и той же платформе, состоящей из четырех главных

Рис. 1. Блок-схема PSoC 3 (CY8C3866AXI)

Электронные компоненты №3 2010

Рис. 2. Структурная схема блока UDB

Рис. 3. Структура межсоединений блоков UDB

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ И DSP

100

реализации аналогового сигнального канала (аналоговые мультиплексоры, компараторы, смесители, ОУ, ИОН, АЦП, цифровой фильтр, ЦАП). В контексте распределенной обработки сигнала аналоговый блок используется для первичной обработки входных аналоговых сигналов и пересылки их в цифровой блок или ЦП. Сеть межсоединений. Подсистема межсоединений состоит из конфигурируемой трассировочной матрицы, которая подключена к центральному процессору, аналоговому и цифровому блокам и портам ввода-вывода. Конфиг урация межсоединений позволяет пользователю определить, как распределяются сигналы по кри-

WWW.ELCP.RU

сталлу, и создавать многопотоковые системы.

руется прерывание, по которому схема управления принимает решение о том, какую из обмоток двигателя необходимо подключить к ШИМ и отрегулировать. Недостаток этого подхода заключается в том, что ЦП обрабатывает слишком много прерываний, что снижает эффективность его работы. Проблема усугубляется в еще большей степени, если увеличить количество двигателей. Кроме того, нет гарантии, что датчики не сработают одновременно, сгенерировав два прерывания с одинаковым приоритетом. Эта ситуация может вызвать конфликт или зависание системы. Для решения данной проблемы предложен следующий метод. С помощью матрицы PLD составляется таблица соответствия между сигналами с датчиков и обмотками двигателя. Другими словами, с ЦП снимается функция обработки прерываний. Сигнал с датчика поступает сразу на PLD. Далее определяется, какой из двигателей следует подключить к ШИМ. При таком подходе ЦП прерывает работу только в том случае, если изменяется скорость вращения двигателя. Другой пример распределенной обработки — использование ПДП для передачи большого объема данных, например запись с устройства I2S на устройство USB. Если реализовать блок I2S с помощью UDB и использовать ПДП для передачи данных между двумя функциональными блоками, а модуль SRAM — как промежуточный при выполнении транзакции, то для контроля потока данных задействуется очень малая доля ресурсов процессора. Такой способ использования ПДП особенно удобен в таких приложениях, где один протокол связи основан на импульсной передаче данных, а другой — на передаче с постоянной скоростью. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПРИМЕР СИСТЕМЫ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ОБРАБОТКИ НА ОСНОВЕ СНК

Рассмотрев возможности СнК, можно перейти к вопросу создания системы распределенных вычислений. Обратимся к одному из существующих примеров — схеме управления сенсорным бесщеточным двигателем постоянного тока (AN53595). Традиционная схема управления двигателем работает следующим образом. При его вращении изменяется логическое состояние одного из трех датчиков Холла. В соответствии с этими изменениями в МК генери-

Рассматривая встраиваемое приложение как набор функций обработки, которые можно разделить и распределить по блокам, разработчик может существенно оптимизировать работу системы и снизить потребление, что особенно важно для современных устройств. ЛИТЕРАТУРА 1. Loren Hobbs. Increase embedded processor efficiency through the use of distributed processing blocks//www.embedded. com/columns/technicalinsights/221900829. 2. Isaac Sever. PSoC 3 BLDC sensored motor control//Application Note AN53595.

Процессоры Samsung плюс операционная система Linux — в сумме простое и эффективное решение для индустрии цифровой рекламы СЕРГЕЙ КОВАЛЁВ, руководитель направления, компания Promwad

Мобильные процессоры Samsung уже давно используются в телефонах, коммуникаторах, электронных книгах и других изделиях. Однако в России применение этих процессоров было ограничено. Но уже сегодня многие отечественные разработчики заложили системы-на-кристалле (СнК) от компании Samsung в качестве основы для автонавигаторов, торговых терминалов, портативной измерительной техники и медицинских прикроватных мониторов. И скоро мы увидим эти разработки. В рамках данной статьи речь пойдет об успешном внедрении СнК Samsung S3C6410 в российском проекте для растущей во всем мире индустрии цифровой рекламы (Digital Signage). Разработанные изделия уже введены в коммерческую эксплуатацию, их использование на практике доказывает, что мультимедийные возможности процессоров Samsung способны удивить российских инженеров. Их можно использовать не только для мобильных решений, тем более отечественные поставщики и дизайнцентры активно работают над сокращением сроков внедрения этих процессоров. ПЕРСОНАЛИЗИРОВАННОЕ ОКНО В МИР ДЛЯ ВСЕХ И КАЖДОГО

Российские инженеры всегда умели находить неожиданные решения. Применение мобильного мультимедийного процессора от компании Samsung в качестве «сердца» платформы для цифровой рекламы явилось не только невероятной находкой, но и перечеркнуло мировые стандарты этой индустрии. Большинство аналогичных зарубежных решений отличаются высокой стоимостью и отсутствием гибкости, они построены на процессорах x86 и при этом остаются весьма громоздкими. В то же время новый российский продукт компании MGR на базе процессора Samsung S3C6410 перевернул представление экспертов в этой индустрии и завоевал поклонников во всем мире. Как известно, решения для цифровой рекламы позволяют наладить аудиовизуальную коммуникацию с посетителями общественных мест: магазинов, аэропортов, вокзалов, метро и т.п. Яркие экраны должны привлекать внимание за счет персонализации информации и автоматического подбора контента для целевой аудитории. Но, к сожалению, на мировом рынке возможности этой индустрии пока не задействованы на все 100%. А между тем это настоящая эволюция мира рекламы: переход от надоедливых безадресных обращений к более эффективному общению с каждым потенциальным клиентом. И современным технологиям это вполне по силам. Так, в системах для цифровой рекламы может быть установлена камера, которая с помощью специализированного ПО распознает аудиторию, определит пол, возраст и другие специфические особенности людей (например, «увидит», носят ли они очки и другие аксессуары), а затем выведет соответствующую рекламную информацию специально для данной категории зрителей. С точки зрения современных технологий, цифровая реклама представляет собой распределенные терминалы с возможностью централизованного управления по сетям Ethernet, WiFi, GPRS или 3G. Администратор может не толь-

ко обновлять транслируемую аудиовизуальную информацию, но и определять на разных терминалах приоритеты в ее отображении по географическому, временному и другим признакам Богатые функциональные возможности делают мультивидеоэкраны особо требовательными к технической реализации с точки зрения производительности, набора поддерживаемых интерфейсов, установки и использования специального и общего ПО. К сожалению, сегодня решения для цифровой рекламы зачастую реализуется на базе ПК, подключенных к одному или нескольким дисплеям. Это не самое лучшее решение: компьютеры занимают много места, потребляют большое количество электроэнергии, перегреваются и не отличаются мобильностью из-за большого веса. Всё это накладывает ограничения на возможности размещения терминалов, вынуждает использовать массу питающих и сетевых кабелей, требует дополнительного пространства. Используемые программные решения также не отличаются эффективностью. Большинство представленных на рынке мультивидеоэкранов использует персональные компьютеры и различные версии ОС Windows. Эта операционная система не предназначена для автономных устройств. На экранах мониторов, работающих под её управлением, могут появляться всплывающие окна, сообщения об ошибках и пр. нежелательные элементы, затрудняющие показ и восприятие мультимедийного контента. Кроме того, Windows особенно подвержена воздействию вирусов, которые могут нарушить нормальную работу системы. Есть и другие недостатки, например, стоимость лицензионной версии ОС. Если разработчики будут игнорировать особенности программно-аппаратных решений для цифровой рекламы и продолжат использование неадаптированного оборудования и программ, российские компании-рекламодатели так и не смогут задействовать весь скрытый потенциал мультимедийной адресной рекламы! Необходимо перейти

Электронные компоненты №3 2010

101

Рис. 1. Плата Pegasus

к использованию специализированных решений. В качестве одного их удачных вариантов можно рассмотреть специальные медиаплееры, они предоставляют весь требуемый функционал и могут быть размещены в одном корпусе с дисплеем. Хороший пример — реализация подобного медиаплеера на доступной для всех разработчиков аппаратной платформе Pegasus. PEGASUS — ИСТОЧНИК ВДОХНОВЕНИЯ РАЗРАБОТЧИКОВ 1

Аппаратный модуль Pegasus (см. рис. 1) стал основой для создания нового медиаплеера. Он работает под управлением ОС Linux, подключается к LCD-матрице напрямую через LVDS-интерфейс, а также предоставляет возможности удаленного управления, загрузки контента и мониторинга работы системы. Подключение к сети осуществляется по одному или нескольким каналам связи: Ethernet, GSM/GPRS/EDGE, CDMA 1xEV-DO, WiFi, WiMAX, ZigBee. Т.е. управление работой терминала и загрузка контента может успешно осуществляться по беспроводным каналам связи. Это решение лишено неудобств, связанных с множеством дополнительных проводов, излишним весом и габаритами оборудования. Наличие электрической сети — это всё, что нужно для установки и запуска системы. Основные преимущества этого варианта по сравнению с другими современными терминалами для цифровой рекламы заключаются в следующем. – Компактность. Модуль Pegasus встраивается непосредственно в корпус LCD-экрана. Таблица 1. Спецификация процессорного OEM-модуля Pegasus

102

Операционная система Процессор Память Аудиочипсет USB Bluetooth Ethernet SD

Linux, Kernel 2.6.31rc4 Samsung S3C6410 Флэш NAND 128 Мбайт, ОЗУ DDR 128 Мбайт Wolfson WM8753 v 2.0 OTG FS, v 2.0 Host v 2.1, внутренняя антенна RJ45, 10 Мбит/c SDHC-карты до 32 Гбайт, MicroSD до 16 Гбайт LVDS-интерфейс, возможность подключения экранов Графическая подсистема 4''…80'' Криптографические Аппаратная поддержка генерации симметричных клюфункции чей, функций хеширования GSM/CDMA GSM850, GSM900, GSM1800 CDMA CDMA-450. 1xEV-DO WiFi 802.11b, g (до 54 Мбит/с) WiMax SyChip WiMAX95xx IEEE 802.16e, 2,5…2,7 ГГц ZigBee 50 мВ, до 1,5 км CDMA CDMA-450 1xEV-DO Поддержка камеры CMOS-датчик до 3 Мп Поддержка стандартов ISO 14443 A&B, ISO 15693, NFC ISO 18092, дальность работы до 10 см

– Изображение высокой четкости (HD — HighDefinition). Обеспечена поддержка разрешения до 1366х768 точек, что позволяет отображать фото и видео в высоком разрешении. – Качество изображения. Большинство медиаплееров DigitalSignage подключается к экранам по компонентному кабелю, что позволяет передавать сигнал лишь с телевизионным качеством картинки (PAL). Некоторые модели плееров используют VGA или DVI-кабель. Изредка используется HDMI. Но в любом из этих случаев при отображении контента происходит несколько преобразований сигнала: внутренний формат изображения плеера → Component → LVDS. Медиаплееры Pegasus используют прямое подключение к LVDS, что позволяет избежать лишнего преобразования сигнала и добиться максимального качества изображения. – Простота исполнения. Pegasus в полной мере использует широкие возможности СнК Samsung S3C6410. В состав терминала входят LCD-матрица, сам сетевой медиаплеер, блок питания и аудиосистема. Другие привычные компоненты отсутствуют. Всё дело в том, что большинство функций реализовано непосредственно на плате: модули аппаратного кодирования/декодирования видео- и аудиопотоков, модули проводной и беспроводной связи (GSM, Wifi, Bluetooth), модули NFC и аппаратной криптографии, поддержка видеокамеры, встроенный усилитель звука, прямой выход на LVDS-интерфейс, возможность подключения сенсорной панели и т.д. – Операционная система. Pegasus работает под управлением операционной системы Linux, что позволяет использовать богатый мировой опыт в сфере разработки драйверов и свободно распространяемого ПО. Стабильность ОС Linux доказана многолетним опытом эксплуатации. – Зональное разделение экрана. Процессоры медиаплеера позволяют использовать различные спецэффекты и варианты отображения контента. Например, можно осуществить разделение экрана на несколько независимых зон, в каждой из которых будет отображаться свой тип информации: видео, статические изображения, текст или HTML-страницы. – Большой объем памяти. Pegasus предлагает множество видов памяти для хранения контента: встроенную NAND флэш-память (256 Мбайт) для хранения ПО и конфигурационных файлов; слот для SD-карты (поддерживаются SDHC-карты (High Capacity) объемом до 32 Гбайт) и слот для miniSD-карты (объемом до 16 Гбайт). Таким образом, общий объем доступной памяти может достигать почти 50 Гбайт. – Система бесперебойного питания позволяет терминалу работать до 15 ч в режиме stand-by. В случае отключения питания сети администратор автоматически получит оповещение в виде СМС. – Антивандальная система отправляет СМС в случае попытки повреждения терминала. – Шифрование данных. Такая возможность реализована для цифровой информации, которая передаётся от сервера к терминалу. – Интерактивность. Встроенные Bluetoth, NFC, GSM и Wifi-модули дают целый набор возможностей для обратной связи. А с помощью NFC-модуля возможна работа с банковскими картами. – Работает под любым углом. В отличие от обычных терминалов, терминалы на базе Pegasus можно монтировать под любым углом (вешать на потолок, горизонтально, вертикально). Система самостоятельно определит

В английском языке слово Pegasus имеет несколько значений: прямое — «Пегас» (крылатый конь) и переносное — «поэтическое вдохновение».

WWW.ELCP.RU

Рис. 2. Структурная схема процессора Samsung S3C6410

угол поворота и правильно сориентирует изображение на экране. В таблице 1 представлены более подробные характеристики медиаплеера Pegasus. ПРОЦЕССОР SAMSUNG S3C6410 — СИЛЬНОЕ СЕРДЦЕ «ПЕГАСА»

Платформа Pegasus работает на основе мобильного процессора Samsung S3C6410 (см. рис. 2), за счет которого, собственно, и обеспечивается поддержка всего набора периферии и воспроизведение кристально чистого видео. S3C6410 был разработан специально для мобильных устройств с широкими мультимедийными возможностями. Он построен на 32-разрядном ядре ARM1176 и обладает встроенным мультиформатным кодеком (Multi-Format Codec). Это означает, что процессор успешно справляется с аппаратным кодированием/декодированием форматов MPEG4/H.263/H.264/VC1 в стандартных разрешениях, а также способен обрабатывать сигнал разрешением 640×480 с частотой 30 кадров в секунду в полнодуплексном режиме (одновременный захват и воспроизведение). Еще один бонус — аппаратный 3D-ускоритель с поддержкой OpenGL ES 1.1/2.0 и D3DM API, который в состоянии просчитывать 4М треугольников с секунду. В наличии имеется и 2D-ускоритель с аппаратным масштабированием, JPEG-кодек и 2 порта доступа к памяти, что позволяет не снижать быстродействие при одновременном выполнении кода CPU и воспроизведения/захвата видео. И последнее: встроенный аппаратный ТВ-кодировщик позволяет воспроизводить ТВ-сигнал в форматах NTSC и PAL. К этому добавляются богатый набор интерфейсов, периферии и контроллеров памяти. Процессор S3C6410 выпускается по технологиям 65 нм и Low Power Process, что позволяет существенно снизить энергопотребление и использовать его в устройствах с батарейным питанием. Итак, сгруппировав список основных характеристик процессора Samsung S3C6410, мы получим следующую картину:

– ядро ARM1176JZF-S; – частота ядра до 667 МГц; – поддержка SRAM/NOR, SDRAM, mDDR, NAND, OneNAND; – мультиформатный кодек (Multi-Format Codec); – JPEG-кодек; – аппаратная поддержка функций поворота изображения; – 3D- и 2D-графические ускорители; – ТВ-кодировщик (NTSC/PAL); – постпроцессор видео; – LCD-контоллер; – интерфейсы I2S (PCM, AC97) x3, I2C x2, SPI x2, UART x4, HIS, CF+/ATA, IrDA, USB OTG 2.0, USB Host 1.1, HS-MMC/SDIO, сенсорная панель; – ADC 8ch, RTC, PLL, PWM, WDT, DMA 32ch, модуль управления питанием. ДРУЖНОЕ СЕМЕЙСТВО ПРОЦЕССОРОВ SAMSUNG

S3C6410 — это яркий, но далеко не единственный представитель семейства процессоров компании, помимо него Samsung предлагает разработчикам более десятка различных по стоимости и производительности устройств. Знакомство с ними не составит особого труда, т.к. процессоры сгруппированы по трём основным семействам. У каждого из них — свой «характер» и область применения (см. табл. 2). 1. ПРОЦЕССОРЫ S5PC1XX

S5PC1xx — семейство новых 32-разрядных высокопроизводительных микропроцессоров с малым потреблением энергии, интегрированным ядром ARM CortexTM-A8 и векторным сопроцессором NEON. На данный момент его представителями являются S5PC100 (до 800 МГц, HD 720p) и S5PC110 (до 1 ГГц, HD 1080p). Обеспечение высокой производительности решений для 3G и 3,5G-коммуникации возложено на внутреннюю

Электронные компоненты №3 2010

103

Рис. 3. Возможности использования процессоров Samsung

64-разрядную многоуровневую шину, а интегрированные высокопроизводительные ускорители процессоров используются для таких задач как обработка, управление и масштабирование ТВ-изображения; поддержка воспроизведения видео в реальном времени; использование аналогового ТВ-выхода и выхода HDMI в NTSC и PAL-режимах. Встроенный кодек (MFC) поддерживает кодирование/декодирование MPEG-1/2/4, H.263, H.264, а также VC1 и Divx. Для обеспечения высокой пропускной способности памяти в процессорах используется порт параллельного доступа к внешней ROM/ флэш-памяти и порт DRAM (динамической памяти), который можно сконфигурировать для работы с mDDR/DDR2/mDDR2 или LPDDR2. ROM/ флэш-порт поддерживает внешнюю память NAND-флэш, NOR-флэш, OneNAND и ROM. Проверено на практике: широкий набор разнообразной периферии позволяет удовлетворить любые потребности и построить мощную систему на кристалле с максимальной эффективностью и по приемлемой цене. 2. ПРОЦЕССОРЫ S3C64XX

Самым ярким представителем является описанный S3C6410, помимо него в семейство входят процессоры S3C6430, S3C6431, S5P6440 и др. Они имеют единое ядро ARM11, отличаются набором поддерживаемой периферии и, соответственно, возможностями использования в конкретных решениях. 3. ПРОЦЕССОРЫ S3C24XX

104

Это насыщенное по номенклатуре процессоров семейство получило заслуженное признание во всем мире (во многом благодаря широким возможностям применения в самых разных продуктах и решениях). Процессоры S3C24xx и их основные отличия представлены в таблице 3. Кроме вышеперечисленных процессоров в список семейств Samsung также входят узкоспециализированные

устройства, за счет которых разработчики могут успешно выполнять поставленные задачи и при этом не переплачивать за неиспользуемый функционал. Например, мультимедийный процессор S5L2010 был спроектирован специально для применения в фоторамках, он обладает достаточной для этого производительностью и нужным набором периферии (ARM9, декодирование JPEG в 15 Мп за 3 секунды, поддержка интерфейсов SD/MMC/SM/MS/CF/ xD и USB 2.0 OTG). Список других возможностей внедрения процессоров Samsung показан на рисунке 3. 4. ОТЛАДОЧНЫЕ ПЛАТЫ

Отдельно стоит отметить такой важный компонент как отладочные наборы, созданные специально для разработки продуктов на базе процессоров Samsung. Существуют как оригинальные решения, так и платы сторонних компаний. Вначале кратко рассмотрим первые: компанией Samsung представлены аппаратные платформы SMDK (Samsung Mobile Development Kit) и SMRP (Samsung Mobile Reference Platform). SMDK — это плата предназначена для проверки процессоров и решений, а также для последующей разработки собственных продуктов на ее базе (возможна работа с памятью, дисплеем, аудиокодеком и другими встроенными в эту плату модулями). SMRP — референс-платформа, которую можно встраивать в собственные решения в виде дочерней платы. В данный момент на рынке доступны следующие средства разработки от компании Samsung: SMDK2416, SMDK2443, SMRP2443, SMDK2450, SMDK6410 и SMDKC100 на базе соответствующих процессоров. Все наборы разработчика сопровождаются качественной документацией, включающей в себя схемы с описанием применяемых компонентов и решений, исходными кодами Firmware и демонстрационных приложений. Как уже было отмечено, подобные наборы предлагаются и сторонними производителями, они имеют некоторые отличия от оригинальных плат, но при этом

Таблица 2. Семейства мобильных процессоров Samsung Семейство

Сегмент

S5PC1xx

Последнее поколение высокопроизводительных микропроцессоров для мультимедийных продуктов

S3C64xx

Средний ценовой сегмент, высокая производительность

S3C24xx

Характеристики ARM Cortex-A8, 667/833/1000 МГц, HD (1080p)

Области применения Нетбуки, игровые консоли, планшеты с поддержкой 3G, Wi-Fi и HD-видео, мультимедиа и навигационные системы премиум-класса Электронные книги с Wi-Fi и 3G, смартфоны и навигаторы, мультимедийные системы

ARM1176, 533/667/800 МГц, 3D Accelerator, HW Multimedia ARM920T/926EJ, 200-533 МГц, большой набор поддерШирокая линейка, оптимальны по цене и производиживаемых интерфейсов (в зависимости от конкретной Электронные книги, КПК, GPS-навигаторы тельности, широкая область применения модели)

WWW.ELCP.RU

Таблица 3. Основные представители семейства S3C24xx Процессор S3C2410 S3C2412 S3C2413 S3C2416 S3C2440 SC32442 S3C2443 S3C2450

Ядро/частота, МГц ARM920T/ 200, 266 ARM926EJ/ 200,266 ARM926EJ/ 266 ARM926EJ/ 400 ARM920T/ 300, 400 ARM920T/ 300, 400 ARM920T/ 400, 533 ARM926EJ/ 400, 533

Отличительные характеристики MMU начальный загрузчик из NAND флэш-памяти, управление ROM/SRAM/SDRAM, управление STN/TFT LCD, управление сенсорной панелью, поддержка карт памяти MMC/SD, USB, АЦП 10 бит Характеристики S3C2410s + поддержка mSDRAM Характеристики S3C2410s + поддержка mSDRAM, mDDR, OneNAND; интерфейс камеры Характеристики S3C2410s + графический ускоритель 2D, поддержка DDR2 Характеристики S3C2410s + интерфейс камеры Характеристики S3C2440s + MCP (Multi Chip Package) Характеристики S3C2440s + поддержка USB2.0, CF-ATA I/F, HS MMC, SPI, MLC Характеристики S3C2416s + интерфейс камеры; поддержка CF-ATA

более доступны по цене. В качестве примера недорогого (в сравнении с SMDK6410) и качественного решения можно привести Idea6410, эта плата может быть использована для разработки готового решения или прототипа изделия (возможна поставка с OC Win CE 6.0, Android, Linux и Ubuntu). В качестве PDK (Platform Development Kit) для реализации собственных продуктов может применяться и модуль Pegasus, российская компания Semidevices предлагает его в качестве базы для разработки. Таким образом, разработка мультимедийных продуктов на основе SoC Samsung — это реальная возможность перехода к качественно новому уровню своих решений. И это не просто теория, а отражение успешного опыта компаний в разработке востребованных электронных продуктов. Тем более в этом году в России появился первый русскоязычный центр технической поддержки процессоров Samsung. Он был запущен инженерами дизайн-центра электроники Promwad при участии MT System, поставщика электронных компонентов Samsung на российском рынке (см. рис. 4). ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Процессоры Samsung действительно могут применяться не только в мобильных устройствах, но и в других решениях, где требуется работа c видео- и аудиоданными. Это обусловлено тем, что их мультимедийные способности дают широкое поле для новых идей и необычных внедрений. Пример успешного российского проекта должен

106

Рис. 4. Взаимодействие компаний на российском рынке электронных компонентов Samsung

вдохновлять инженеров. Действительно, не стоит бояться использовать решения, которые успешно внедряются мировыми лидерами. Малые и средние компании вполне могут освоить простые и эффективные решения на базе модулей Pegasus и операционной системы Linux. Более подробную информацию можно получить в русскоязычном центре технической поддержки Samsung: http://samsung.promwad.com

СОБЫТИЯ РЫНКА | «СКАНТИ РУС» СОВМЕСТНО С КОРПОРАЦИЕЙ TEXAS INSTRUMENTS ОТКРЫВАЕТ КОНСУЛЬТАЦИОННЫЙ ЦЕНТР «ТЕХЦЕНТР СКАНТИ — Texas Instruments» (ТехЦентр) | Основная задача ТехЦентра — повышение уровня квалификационной подготовки технических специалистов, в первую очередь разработчиков, занятых в различных областях электронной промышленности. Форматы занятий Семинары — практическая работа с отладочными комплектами и построение типовых электрических схем на базе электронных компонентов TI. Вы освоите методику работы с отладочными комплектами TI и сможете применить полученные знания в собственной разработке. Лекции — общая техническая информация по заданной тематике, анонс новинок, демонстрация работы с отладочными средствами. Вы получите полезную информацию в компактном виде на русском языке, сможете структурировать и систематизировать имеющиеся знания, получить ответы на интересующие вас вопросы. Все занятия проводятся специалистами «Сканти Рус» или Texas Instruments. Слушатели обеспечиваются материалами на русском языке. Первая лекция «Микроконтроллеры С2000 от TI для систем управления реального времени» состоится 22-го апреля 2010 г. по адресу Варшавское ш., 125. В честь открытия ТехЦентра посещение этой лекции для слушателей бесплатно. Подробная информация по адресу www.scanti.ru/TechCenter/techcenter.php или по тел. (435) 781-49-45. www.scanti.ru

WWW.ELCP.RU

3 июня 2010 г.

П Е Р Е Д А Ч А

Д А Н Н Ы Х

ПЕРВАЯ ВСЕРОССИЙСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

УЧАС ТНИКИ:

руководители отделов разработки, инженеры, ведущие разработчики. КО М П А Н И И :

• •

производители компонентов и разработчики решений для мультимедиа и телекома, сетей и интерфейсов, беспроводных технологий; контрактные разработчики.

П Р Е Д В А Р И Т Е Л Ь Н А Я П Р О Г РА М М А КО Н Ф Е Р Е Н Ц И И 09:00—10:00

Регистрация участников. Приветственный чай/кофе. Работа выставки. 10:00—13:00

• • • • • • •

П Л Е Н А Р Н А Я Ч АС Т Ь

мировой рынок программно-аппаратных средств мультимедиа и телекома; мировой рынок компонентов и решений для беспроводных технологий: продукция компаний – мировых лидеров; стандарты МЭК для промышленных сетей; построение абонентских сетей; обзор современных беспроводных технологий; тенденции развития мультимедиа и телекома; опыт разработки навигационной аппаратуры ГЛОНАСС. Перспективы развития.

13:00 —14:00

Обед. Работа выставки 14:00 – 18:00 РА Б О ТА С Е К Ц И Й

I. II. III.

Телеком и мультимедиа (разработчикам оборудования связи, оборудования приема цифрового телевидения, мультимедиа, гаджетов). Беспроводные технологии (разработчикам беспроводных модулей и систем, в том числе ГЛОНАСС). Сети и интерфейсы (разработчикам модулей и компонентов проводных и беспроводных сетей, в том числе промышленных сетей).

18:00

Фуршет Производителям, поставщикам компонентов и интеграторам мы предлагаем представить свою продукцию, новые технологии, возможности и планы их компаний.

За более подробной информацией обращайтесь в оргкомитет Форума. Тел./факс: (495) 741-7701, доб. 2233; 741-7702 Контактное лицо: Динара Бараева E-mail: conf@ecomp.ru

Двухчастотный металлоискатель BM8043 — «КОЩЕЙ» АНДРЕЙ ЩЕДРИН (г. Москва) ЮРИЙ КОЛОКОЛОВ (г. Донецк) В статье дано общее описание двухчастотного металлоискателя и приведена процедура настройки прибора перед работой. Предлагаемый двухчастотный ин дук ционный металлоискатель ВM8043 — «КОЩЕЙ» по своим характеристикам не уступает заводским металлоискателям, однако стоит дешевле и доступен широкому кругу радиолюбителей. Поскольку формат статьи не позволяет дать полное описание устройства, то рекомендуется ознакомиться с инструкцией по эксплуатации [2] и работой [1]. ОПИСАНИЕ УСТРОЙСТВА

ПИТАНИЕ

Для питания металлоискателя КОЩЕЙ-ВМ8043 рекомендуется использовать либо кислотный аккумулятор 12 В емкостью 1,2 А/ч, либо 10 пальчиковых NiMH-аккумуляторов емкостью 1000…2000 мА/ч. С одной стороны, кислотный аккумулятор гораздо дешевле, однако он весит в два с лишним раза больше, чем набор аккумуляторов АА. Источник питания следует поместить в корпус. Пальчиковые аккумуляторы рекомендуется предварительно спаять между собой (не перегревая!) для повышения надежности. Далее через предохранитель 2 А необходимо подключить шнур питания с сечением проводников не менее 0,5 мм2. ШТАНГА

Штанга должна быть достаточно прочной и легкой. Она не должна содержать металлических деталей, расположенных на расстоянии менее 40 см до датчика. Из подручных материалов для штанги можно порекомендовать детали от пластикового водопровода или пластиковой удочки.

Батарейный отсек рекомендуется располагать на противоположном относительно датчика конце штанги. В этом случае он будет служить противовесом датчику, и рука будет меньше уставать при поисках. Конструкция крепления электронного блока произвольна. Например, ее можно совместить с рукояткой. ДОРАБОТКА И НАСТРОЙКА

Для работы металлоискателя необходим датчик, реагирующий на присутствие металла. Поскольку его изготовление — довольно кропотливый процесс, то мы отсылаем читателя к уже опубликованным руководствам и инструкциям. Например, подробное описание процесса изготовления датчика можно найти на сайте [2]. Когда датчик будет готов, останется только отрегулировать металлоискатель. Фазовая калибровка тракта производится для учета всех фазовых сдвигов, вносимых трактом в принимаемый сигнал. Для выполнения калибровки необходимо расположить датчик кверху крышкой и удалить от него все металлические предметы на расстояние не менее 0,5 м. В меню «Параметры» для первого профиля установить усиление 8, рабочую частоту 7 кГц и номер датчика 1. Перейти в меню «Калибровка тракта» (см. рис. 3). Для калибровки потребуется эталонная мишень, например ферритовое кольцо с проницаемостью 2000 НМ. Методика настройки заключается в медленном передвижении эталонной

109 П О С Л Е РА Б О Т Ы

Структурная схема металлоискателя ВM8043 — «КОЩЕЙ» изображена на рисунке 1. Видно, что рассматриваемый металлоискатель имеет два принципиальных отличия от классических одночастотных приборов: 1. Передающий и приемный тракты имеют широкую полосу пропускания. 2. Для детектирования сигнала используется единственный коммутируемый синхронный детектор. Самостоятельное изготовление «с нуля» данного металлоискателя достаточно проблематично даже для опытных радиолюбителей из-за дефицита многих деталей, сложности SMD-монтажа и невозможности качественного изготовления механических узлов. Учитывая перечисленные причины, компания «Мастер Кит» выпустила набор BM8043, который состоит из электронного блока заводской сборки, всех необходимых разъемов и корпуса датчика (см. рис. 2). Несмотря на то, что

все узлы уже собраны, набор оставляет большое поле для творчества — самостоятельное изготовление датчика и последующая настройка прибора представляют собой весьма кропотливую работу. Именно эти вопросы мы и рассмотрим ниже.

Рис.1. Структурная схема металлоискателя

Рис. 2. Набор BM8043

Электронные компоненты №3 2010

мишени вверх-вниз относительно центра датчика и наблюдении за индикацией. Если сигнал по шкале dX при этом отклоняется влево, то нужно нажать клавишу « ». Если сигнал отклоняется вправо, то нужно нажать клавишу « ». Процедура продолжается до тех пор, пока сигнал по шкале dX не перестанет изменяться, а по шкале dY сигнал будет отклоняться только влево. После калибровки канала 7 кГц следует откалибровать канал 14 кГц. Ориентировочные значения фазовых сдвигов для датчика, описанного в материалах [2], составляют 150…160° для частоты 7 кГц и 170…180° для частоты 14 кГц. Калибровка цепи автоподстройки измерительного усилителя на входе АЦП производится в меню «Калибровка ADC». Напомним, что вблизи датчика не должно быть металлических предметов. При нажатии клавиш « » и « » значение калибровочного коэффициента, выводимое на верхней строке ЖКИ, будет изменяться с шагом 0,001. Необходимо подобрать такое значение калибровочного коэффициента, при котором сумма двух нижних чисел (с учетом знака) будет минимальной. Ориентировочное значение коэффициента лежит в пределах 0,980—1,020. И, наконец, последняя сервисная настройка — калибровка измерителя напряжения батареи. Металлоискатель

подключается к лабораторному блоку питания через кабель, который впоследствии будет использоваться для питания от аккумуляторов. На лабораторном блоке питания выставляется напряжение 12 В. Далее включается металлоискатель. В меню выбирается пункт «Калибровка Uбат». На экране появится число 406 ± 8. Необходимо запомнить этот калибровочный коэффициент, нажав клавишу «Ввод». ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Компания «Мастер Кит» предлагает готовый набор BM8043, в состав которого помимо электронного блока входят два разъема, держатель штанги и подробная инструкция по работе с прибором и изготовлению поисковой катушки. Более подробно ознакомиться с ассортиментом продукции «Мастер Кит» можно с помощью каталога «Мастер Кит — 2010» и на сайте www.masterkit.ru, где представлено много полезной информации по электронным наборам и модулям «Мастер Кит», а также приведены адреса магазинов, где их можно купить. ЛИТЕРАТУРА 1. Щедрин А., Колоколов Ю. «Схемотехника многочастотного металлоискателя»//РАДИОХОББИ, 2005, №2.

Рис. 3. Примерный вид меню «Калибровка тракта» 2. Инструкция по эксплуатации металлоискателя КОЩЕЙ-BM8043 http:// www.metdet.ru/IB.htm.

Звоните бесплатно с мобильного или городского телефона на горячую линию Мастер Кит 8-800-200-09-34 и заказывайте товар по почте наложенным платежом ( по рабочим дням с 9-00 до 18-00 ). Таблица 1. Основные технические характеристики Параметр Визуальная индикация Звуковая индикация Режимы поиска Рабочие частоты Потребляемый ток (7 кГц), не более Потребляемый ток (14 кГц), не более Диаметр датчика (в комплект не входит) Максимальная глубина обнаружения объектов (по воздуху) Монета диаметром 25 мм Каска Максимальная глубина

Значение графическая и текстовая, ЖКИ 132×32 точек есть, многотональная селективный и неселективный 7 и 14 кГц 180 мА 100 мА 195 мм

до 30 см до 1 м до 2 м

АНОНС НОВИНОК МАСТЕР КИТ | УСТРОЙСТВО KIT MT1030: СИГНАЛИЗАЦИЯ ДЛЯ БАНКОВСКИХ КАРТ + КОШЕЛЕК В ПОДАРОК | Устройство представляет собой компактный вкладыш для кошелька, рассчитанный на хранение 5 банковских карт. При извлечении карты из вкладыша устройство будет напоминать своему владельцу о ее отсутствии вибросигналом каждые 10 с. Через 30 с сигнализатор переходит в интенсивный режим и сообщает об отсутствии карточки каждые 3 с до тех пор, пока она не будет вставлена обратно. Теперь всем обладателям банковских карт забыть их где-либо станет сложно. Устройство просто и надежно вкладывается в любой кошелек. | USB-ИОНИЗАТОР ВОЗДУХА MT1080 | Устройство представляет собой небольшой ионизатор воздуха, работающий от USB-разъема компьютера. Ионизатор испускает отрицательно заряженные ионы, которые обладают бактерицидным действием. USB-ионизатор просто подключается к компьютеру, не требует специальной установки и работает абсолютно бесшумно. Ионизатор воздуха воссоздает природную атмосферу, испуская поток анионов, полезных для здоровья человека.

П О С Л Е РА Б О Т Ы

110

| ШАГОМЕР С АНАЛИЗАТОРОМ ЖИРОВОЙ ТКАНИ MT4060 | В компактном корпусе этого легкого прибора содержится сразу несколько устройств: счетчик шагов, измеритель количества жировой ткани в организме, измеритель пройденной дистанции, счетчик сожженных калорий, часы и будильник. Устройство поддерживает до 5 профилей. Многие болезни происходят от малоподвижного образа жизни. Поэтому врачи рекомендуют проходить в день не менее 10 тысяч шагов (8 км). С шагомером Вы будете знать не только количество пройденных шагов и расстояние, но и объем сожженных калорий и жировой ткани, которую сжечь еще предстоит. В профилях можно измерять различные параметры: расстояния при беге, расход калорий при ходьбе и т.п. | КАЛЬКУЛЯТОР УЧЕТА РАСХОДОВ MT4080 | Это легкое карманное устройство создано для учета расходов. Занесите расходы в устройство сразу же в момент совершения покупки в одну из 8-ми категорий (еда, транспорт и т.п.), задайте лимит и при его превышении устройство предупредит вас значком на экране и звуковым сигналом. Калькулятор учета расходов подключается к компьютеру через USB-порт и отображает статистику расходов по категориям и временным интервалам, не требуя установки дополнительного ПО. | СВЕРКАЮЩИЙ СТАКАН MT5002 | Сверкающий стакан емкостью 400 мл имеет 7 вариантов подсветки, а также режим перелива цветов. Стакан имеет съемную подставку, в которой расположена батарейка и кнопка включения подсветки. С помощью нее также переключаются цвета подсветки. Сняв подставку, вы можете вымыть стакан вручную или в посудомоечной машине, а также заменить батарейку. Напитки с подсветкой будут выглядеть необычно и внесут разнообразие в ваше веселье, а кроме того, станут поводом для шуток и разговоров.

WWW.ELCP.RU

Заехать в гараж? Легко! ТОН ГИСБЕРТС (TON GIESBERTS), инженер, Elektor

В статье описано устройство, предупреждающее водителя при парковании в гараже о близости препятствия.

СХЕМА И ПРИНЦИП РАБОТЫ УСТРОЙСТВА

Принципиальная схема устройства приведена на рисунке 2. Как мы уже говорили, датчик MOD1 реагирует на приближение объекта. Однако зависимость между выходным напряжением и расстоянием до датчика не является линейной и обратно пропорциональной. Учитывая этот факт, сигнал необходимо инвертировать в IC1A, прежде чем подать его на ГУН IC1B. Потенциометр Р1 необходим для регулировки выходного напряжения IC1A, чтобы оно всегда оставалось в пределах допустимого для ГУН диапазона. Когда транзистор Т1 открывается, включается ГУН. Чтобы светодиоды горели постоянно, выходное напряжение IC1A следует ограничить на уровне 0,5 В с помощью P1 (объект приблизился на минимально разрешенное расстояние), после чего Т1 закрывается, и ГУН выключается. Принцип действия ГУН очень прост. Когда Т1 открыт, конденсатор С3 заряжается через R3. Когда напряжение на инвертирующем входе IC1B становится ниже, чем на неинвертирующем,

выходное напряжение становится высоким, и С3 разряжается через D1 и R4. Резисторы R5 и R6 задают диапазон работы. Резистор R8 выбирается так, чтобы гистерезис составлял около 0,5 В, тогда ГУН переключается при 3,4 В и 3,9 В, а максимальное входное напряжение — 3 В. Для охвата всего выходного диапазона датчика необходимо установить движок потенциометра P1 (ножка 3 на IC1A) в положение 1,45 В. Благодаря описанной конструкции, меняется не только частота, но и ширина импульса ГУН. На высоких частотах через R3 и R4 идет больший ток, поэтому С3 разряжается дольше, и IC1B переключается реже. Потенциометр Р2 регулирует напряжение на R11 в пределах 0,1…0,32 В. В нижнем положении движка зона действия датчика составляет примерно 1 м. Выходное напряжение датчика контролируется компаратором на операционном усилителе IC1D. Он управляет частотой мигания панели так, чтобы когда объект (автомобиль) входит в зону действия датчика, частота мигания была минимальной. Когда выходное напряжение датчика минимально, выходное напряжение IC1D — максимально, поэтому диод D2 не дает конденсатору С3 заряжаться. Напряжение на IC1B остается низким.

Когда автомобиль припаркован, светодиоды горят еще около 5 мин, а затем отключаются схемой IC1C. Это нужно для того, чтобы определить, мигают ли светодиоды. Когда выходное напряжение IC1B мало, С4 быстро заряжается, и на выходе IC1C устанавливается высокий сигнал, запирающий D4. Светодиоды выключаются. Если выходной сигнал IC1B остается высоким в течение некоторого времени, конденсатор С4 медленно разряжается через R13. По истечении 5 мин выход-

Рис. 1. Внешний вид устройства

111 П О С Л Е РА Б О Т Ы

Многие водители признаются, что ехать вперед им гораздо проще, чем на заднем ходу. Облегчить ориентирование помогает предлагаемый в данной статье электронный прибор (см. рис. 1), который оценивает расстояние до объекта и сигнализирует водителю о том, что машина находится слишком близко от того или иного объекта. Устройство крепится на неподвижной поверхности, например задней стене гаража. Основа устройства – датчик расстояния GP2D120 компании Sharp. Он определяет расстояние до объекта с помощью ИК-светодиода с длиной волны 850 нм. Выходное напряжение сенсора уменьшается с увеличением расстояния. Устройство имеет светодиодную панель, которая начинает мигать при приближении объекта. Чем ближе машина подъезжает к датчику, тем чаще происходят вспышки. При достижении минимальной разрешенной дистанции светодиоды станут гореть постоянно.

Рис. 2. Принципиальная схема

Электронные компоненты №3 2010

ное напряжение IC1C уменьшается настолько, что базовый ток Т2 начинает течь через диод D4. Светодиодная панель остается в выключенном состоянии до тех пор, пока автомобиль не сдвинется. Как только машина тронется, светодиоды начнут мигать, пока он не выйдет из радиуса действия датчика. На максимальном чувствительном расстоянии до датчика период мигания светодиодов равен 240 мс, а длина импульса — 50 мс. На минимальном расстоянии период мигания 160 мс, а длительность импульса 95 мс. Разница частот (4 и 6 Гц) не особо заметна на глаз, зато разница длительностей импульсов ощутима. ВЫБОР ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

П О С Л Е РА Б О Т Ы

112

В схеме используется счетверенный операционный усилитель (IC1) MCP6004-I/P производства Microchip, но его при желании можно заменить. Следует лишь иметь в виду, что определяющие параметры выбора — не пропускная способность или скорость нарастания выходного тока, а максимальное входное дифференциальное напряжение. Два усилителя используются в качестве компараторов, поэтому разница напряжений между их входами может достигать нескольких вольт. Усилитель должен выдерживать разницу, равную напряжению питания. В нашей схеме оно лежит в диапазоне от 1,8 до 5,5 В (максимально возможно 7 В). Во многих усилителях стоят защитные диоды, ограничивающие входное дифференциальное напряжение до 1 В. Такие ОУ также можно использовать в схеме. На этот случай на инвертирующий вход IC1D поставлен резистор R9. Мы пробовали использовать усилитель TS924IN, но тогда оказалось, что входы компаратора влияют друг на друга, а постоянная времени С4 и R13 уменьшается из-за добавления R14 и R15.

Рис. 3. Печатная плата Таблица 1. Перечень элементов R1 – R3, R14, R15 = 100 кОм, R4, R7 = 22 кОм, R5 = 68 кОм, R6 = 220 кОм, R8 = 470 кОм; R9, R10 = 39 кОм, R11 = 2,7 кОм, R12 = 1 кОм, R13 = 1 МОм; R16, R17 = 4,7 кОм, R18 = 1,5 кОм; R19, R22 = 330 кОм Р1, Р2 = 100 кОм (производитель Piher) C1 = 100 мкФ (25 В, с радиальными выводами, шаг 2,5 мм, макс. диам. 8 мм), C2 = 100 нФ (МКТ, с шагом 5 мм или 7,5 мм), C3 = 4,7 мкФ (63 В, с радиальными выводами, шаг 2,5 мм, макс. диам. 6,3 мм), C4 = 470 мкФ (25 В, с радиальными выводами, Конденсаторы шаг 5 мм, макс. диам. 10 мм), C5 = 100 нФ (керам., с шагом 5 мм), C6 = 10 мкФ (63 В, с радиальными выводами, шаг 2,5 мм, макс. диам. 6,3 мм), C7 = 220 мкФ (25 В, с радиальными выводами, шаг 2,5 мм, макс. диам. 8 мм) D1—D4 = BAT85, D5—D24 = красные светодиоды (5 мм, ), D25 = зеленый светодиод Полупроводниковые (5 мм), D26 = стабилитрон (3,6 В, 1,3 Вт) T1 = BC550C, T2 = BD139 IC1 = MCP6004-I/P, компоненты IC2 = 78L05 K1 = 3-выводной SIL держатель, K2 = 3-выводной прямоугольный держатель SIL MOD1 (не на плате) = датчик GP2D120 Другое 2 разъема BPH-002T-P0.5S, 2 разъема PHR-3 2 печатные платы слот для держателя (SIL, 3 вывода) Резисторы

ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ

Датчик и схема со светодиодной панелью питаются от источника 78L05. На входе регулятора стоит стабилитрон, чтобы рассеяние было минимальным, иначе перепад напряжения на регуляторе может достигать 7 В, что крайне нежелательно. Светодиодная панель подключается к сети через адаптер 12 В. Этого напряжения достаточно для питания 5 последовательно включенных красных светодиодов. Потребление в неактивном режиме составляет 39 мА. При включении всех светодиодов потребляется 76 мА. ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА

Схема располагается на двух односторонних печатных платах (см. рис. 2). Светодиоды крепятся на отдельной

Обзор журнала Elektor №3, 2010 Тема мартовского номера Elektor — открытые исходные коды. Вокруг этого вопроса не угасают споры, однако пока одни обсуждают целесообразность раскрытия «секретов», другие активно используют открытое ПО. В итоге даже таким противникам Open Source, как Microsoft, приходится идти на поводу у разработчиков и предлагать бесплатные продукты. Для радиолюбителей, работающих со встраиваемыми системами, приводится большой список из 20 интернет-ресурсов по различным видам Open Source со ссылками и описанием. Другая статья позволяет ознакомиться с открытыми ОС для встраиваемых систем на основе 8-разрядных МК. На примере проекта Linux on a Chip подробно описывается процесс установки ОС Embedded Linux. Также в номере даются ценные советы по более эффективному использованию открытого ПО. В нетематической части журнала советуем обратить внимание на обширный сравнительный обзор основных шин (SPI, MicroWire и др.) с примерами их использования. Для тех, кто только начинает работать с микроконтроллерами, полезны будут опубликованные в номере советы по снижению энергопотребления схем на основе МК AVR.

WWW.ELCP.RU

плате, чтобы их было удобнее располагать на видном месте. Датчик и схема должны монтироваться на объекте, который надо объехать или расстояние до которого водителю трудно оценить из салона. Для универсальности датчик можно установить на держателе, чтобы его можно было легко перемещать. При это дополнительно потребуется 3-выводной слот с шагом выводов 2 мм (подходят слоты компании Japan Solderless Terminals). Более подробную информацию о комплекте можно найти на сайте Elektor www.elektor.com. По вопросам приобретения образцов или сотрудничества с Elektor обращайтесь к Антону Денисову: anton@elcp.ru, тел.: 741-77-01.

Среди наиболее интересных проектов в номере можно найти законченный миниатюрный звуковой усилитель класса D размером чуть больше спичечного коробка; трехцветный контроллер DMX512-A для светомузыки на основе МК MSP430 (Texas Instruments); устройство, оповещающее водителя о приближении автомобиля к препятствию (полезно при парковке в гараже или при въезде на садовый участок); автоматический выключатель для различных бытовых устройств, работающий в трех режимах: инфракрасном (для дистанционного выключения телевизора и подобных устройств, переходящих по умолчанию не в выключенное состояние, а режим ожидания), «сумерки» (включение и выключение светильников в доме или саду в соответствии с уровнем естественного освещения) и «обратный отсчет» (выключение через заданное время). Также приводится оригинальное устройство для запоминания и автоматического ввода паролей, подключающееся к ПК через интерфейс USB. Примечательно, что в него можно записывать не только компьютерные пароли, но и ключи от электронных замков. Само устройство защищено PIN-кодом. Помимо этого в номере имеются другие не менее интересные устройства, а также новости, советы инженеров и т.д.

Новые компоненты на российском рынке БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Новый приемник прямого преобразования от CML Microcircuits

CML Microcircuits, одна из ведущих мировых компаний в области проектирования и производства маломощных аналоговых, цифровых и гибридных интегральных микросхем для телекоммуникационных систем, анонсировала выпуск микросхемы приемника прямого преобразования CMX994. Микросхема содержит широкополосный малошумящий усилитель, понижающий преобразователь частоты, а также квадратурный демодулятор c широким динамическим диапазоном. Входная секция микросхемы содержит усилители, а также прецизионные фильтры основной полосы частот. Непосредственно за фильтрами следуют высоколинейные смесители-преобразователи. Затем следует каскад полосовых фильтров, обеспечивающий подавление сигнала вне основной полосы частот. После фильтров следует усилитель с управляемым коэффициентом усиления для I- и Q-канала. Гетеродин смесителя построен на основе ФАПЧ с целочисленным коэффициентом деления частоты в петле обратной связи и ГУНа. Возможно подключение внешнего гетеродина. Ключевые особенности микросхемы. – Прямое преобразование обеспечивает подавление зеркального канала. – Малошумящие усилители в составе микросхемы обладают регулируемым коэффициентом усиления. – Рабочая полоса частот квадратурного демодулятора 100 МГц…1 ГГц. – Прецизионное фильтрование сигнала основной частоты. – Напряжение питания 3,0…3,6 В. – Режим гетеродина с возможностью деления опорной частоты на 2, 4 и 6. – Компактный корпус Q4 (40-выводной VQFN). CML Microcircuits www.cmlmicro.com

Отличительная особенность платы — наличие интегрированной видеокарты Intel GM 4500MHD, имеющей встроенные функции HD-декодирования, благодаря которым возможно воспроизведение видео в формате Full HD. Кроме того, в качестве центрального процессора используется Intel Core 2 Duo T946M, а оперативная память DDR2 способна достигать 4 Гбайт. Благодаря мощному процессору и производительной видеокарте, а также возможности подключения дополнительных дисплеев по интерфейсам VGA, LVDS, DVI и HDMI, новая плата ACP-GM45DS идеально подходит для построения систем визуализации с интенсивной обработкой данных, например: – информационно-развлекательных систем; – систем видеонаблюдения и безопасности; – в медицинском приборостроении. Поддержка платой разрешения 2028 × 1536 пикселов позволяет подключать плазменные панели и ЖК-панели качества Full HD. Плата поддерживает множество интерфейсов, среди которых 5 SATA-, 8 USB- и 5 COM-портов. Новая плата имеет микроконтроллер TPM, который позволяет надежно защищать пользовательские данные от взлома со стороны вредоносного программного кода. Кроме того, имеющийся контроллер Gigabit Ethernet с поддержкой технологии iAMT позволяет удаленно управлять настройкой сети и дает возможности для развертывания служб управления IT-инфраструктурой. Технические характеристики платы: – ОЗУ: до 4 Гбайт DDR2 800 МГц; – интерфейсы: 1 Mini PCIe, 1 PCIe x1; – 2×Gigabit Ethernet; – разъем CompactFlash; – 8 GPIO; – слот PCI; – встроенный усилитель звука 6 Вт; – 2×24-разрядный LVDS. Плата позволяет обойтись одним источником питания, так как работает в диапазоне напряжений 19…24 В. Аvalue www.avalue.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ООО

ГЕНЕРАТОРЫ И СИНТЕЗАТОРЫ СИГНАЛОВ

113

Дополнительная информация: см. «Макро Групп», ЗАО

ВСТРАИВАЕМЫЕ СИСТЕМЫ

Новая промышленная плата от Avalue способна воспроизводить видео качества Full HD

Компания Avalue выпустила новую промышленную плату форм-фактора Mini ITX — ACP-GM45DS.

Синтезатор частоты с ФАПЧ и прямой модуляцией сигнала от Analog Devices

Компания Analog Devices предлагает ADF4158 — новый синтезатор частоты с ФАПЧ и дробным коэффициентом деления с возможностью прямой модуляции сигнала в диапазоне частот до 6 ГГц. Микросхема содержит встроенный 25-разрядный делитель частоты, позволяющий получать сетку частот с шагом менее одного Гц, малошумящий цифровой частотнофазовый детектор, прецизионную схему подкачки заряда и программируемый делитель опорной частоты.

Электронные компоненты №3 2010

Синтезатор может производить частотную или фазовую модуляцию сигнала, а также однократное и постоянное качание по частоте по пилообразному или треугольному закону. Управление и контроль работы микросхемы осуществляется по шине SPI. Основное назначение синтезатора — измерительное оборудование, а также радары на основе непрерывного ЧМ-сигнала для определения скорости и расстояния до цели (автомобильные радары). Основные характеристики: – диапазон рабочих частот: 0,5…6,0 ГГц ; – частота опорного сигнала: 10…250 МГц; ; – нормализованный фазовый шум: –207 дБн (на частоте 5800 МГц, – фазовый шум: -87 дБн fREFIN = 100 МГц, fPFD = 25 МГц, offset frequency = 2 кГц, N = 232, loop bandwidth = 20 кГц); – напряжение питания: 2,7…3,3 В; – ток потребления: 32 мА (макс.); – диапазон рабочих температур: –40…125°С (ADF4158YCPZ); – тип корпуса: 24-выводной LFCSP. Микросхемы доступны в образцах. Серийное производство запланировано на второй квартал 2010 г. Analog Devices Inc. www.analog.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ООО

Power Integrations Inc. www.powerint.com

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ Модули AC/DC-преобразователей серии МАА от ООО «Александер Электрик ИЭП»

ООО «Александер Электрик источники электропитания» под контролем военного представительства начало производство модулей МАА БКЮС.430610.007 ТУ для работы в сети 3-фазного переменного тока выходной мощностью 900 и 1500 Вт. Модули серии МАА предназначены для электропитания цифровой и аналоговой аппаратуры специального и промышленного назначения и представляют собой стабилизированные AC/DC-преобразователи с гальванической развязкой между входом и выходом. Отличительной особенностью модулей является возможность параллельной работы, открывающая перспективы для наращивания мощности и резервирования. Диапазон рабочих температур модулей -40…85°С. Модули имеют выносную обратную связь, подстройку выходного напряжения, датчик выходного тока, дистанционное включение, защиту от короткого замыкания, перенапряжения и тепловую защиту. ООО «Александер Электрик ИЭП» www.aeip.ru

Дополнительная информация: см. «Александер Электрик Источники Электропитания», ООО

114

МИКРОСХЕМЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Новое семейство микросхем для построения импульсных источников питания от Power Integrations

Компания Power Integrations, мировой лидер в производстве высоковольтных аналоговых микросхем для построения импульсных источников питания, объявила о выпуске нового семейства — TOPSwitch-JX. Семейство микросхем TOPSwitch-JX состоит из 16 представителей, содержащих силовой ключ с рабочим напряжением до 725 В для использования в обратноходовых источниках питания. Инновационный алгоритм управления

WWW.ELCP.RU

TOPSwitch-JX позволяет добиться максимальной эффективности во всем диапазоне нагрузок. При больших нагрузках высокая энергетическая эффективность микросхем позволяет минимизировать потери энергии, а также упростить и удешевить систему рассеивания тепла. Высокая энергетическая эффективность обеспечивается инновационным многоцикловым режимом модуляции, который снижает среднюю частоту переключения, нестабильность выходного напряжения и аудиошумы. Все это позволяет преобразователю на базе микросхем TOPSwitchJX соответствовать таким стандартам энергосбережения, как ENERGY STAR и EC EuP Ecodesign Directive. Увеличенное напряжение пробоя ключа (до 725 В) повышает надежность системы и позволяет ей работать с увеличенными отраженными напряжениями, что во многих случаях снижает стоимость выпрямительного диода на вторичной стороне. Новое семейство микросхем также включает схему сброса. Представители микросхем семейства TOPSwitch-JX доступны в новом низкопрофильном корпусе eDIP, который оптимизирован для рассеивания тепла в компактных приложениях (LCD-мониторы, ТВ, ноутбуки и пр.). Кроме того, микросхемы прекрасно подходят для построения преобразователей для принтеров, ПК, ТВ-приставок, аудио-/видео- и другой электроники с энергопотреблением до 177 Вт в универсальном диапазоне входного напряжения. Дополнительная информация: см. «Макро Групп», ЗАО

Семейство микросхем LinkSwitch-II в новом корпусе от Power Integrations

Компания Power Integrations объявила о выходе семейства микросхем LinkSwitch-II в более компактном корпусе SO-8C (индекс D в обозначении элемента), что позволит разработчикам создавать еще более компактные зарядные устройства и светодиодные драйверы мощностью до 5 Вт. Семейство LinkSwitch-II значительно упрощает проектирование маломощных CV/CC-преобразователей благодаря тому, что микросхемам семейства не требуется оптопара и цепь контроля выходного напряжения. Представители семейства используют новую технологию, которая позволяет контролировать с высокой точностью выходное напряжение и ток. Микросхема включает в себя силовой 700-В транзистор, контроллер с релейным способом управления силовым ключом, внутренний источник тока, частотный джиттер, цепь ограничения тока и тепловую защиту. Теперь таблица представителей семейства выглядит следующим образом: Микросхема

LNK603PG/DG, LNK613PG/DG LNK604PG/DG, LNK614PG/DG LNK605PG/DG, LNK615PG/DG LNK606PG/GG/DG, LNK616PG/GG/DG LNK632DG Power Integrations Inc. www.powerint.com

Дополнительная информация: см. «Макро Групп», ЗАО

85…265 ВAC Адаптер Печатный узел

2,5 Вт 3,5 Вт 4,5 Вт 5,5 Вт 3,1 Вт

3,3 Вт 4,1 Вт 5,1 Вт 6,1 Вт 3,1 В

СВЕТОТЕХНИКА И ОПТОЭЛЕКТРОНИКА Новый синхронный повышающий импульсный стабилизатор от Microchip

Компания Microchip анонсировала повышающие стабилизаторы MCP1640, которые работают от минимального напряжения 0,35 В. Ток потребления в рабочем режиме составляет менее 19 мкА, в дежурном режиме — менее 1 мкА. Два интегрированных FET, частота переключений 500 кГц и выходной ток до 350 мА позволяют использовать импульсный стабилизатор MCP1640 в миниатюрных устройствах с батарейным питанием и длительным сроком службы. Рабочее напряжение 0,35 В и напряжение старта менее 0,65 В обеспечивают питание устройства от одной щелочной, NiMh- или NiCd-батареи, которые могут быть сильно разряжены. Режимы PWM/PFM позволяют обеспечить низкий рабочий ток и ток в дежурном режиме, а также эффективность до 96%, что также позволит продлить срок службы элемента питания. Два встроенных FET уменьшают количество внешних элементов, что позволяет создать более компактное устройство. Кроме того, компания Microchip анонсировала отладочную плату MCP1640EV-SBC, наглядно демонстрирующую использование стабилизатора MCP1640 с минимумом внешних компонентов для питания схемы от одной, двух или трех щелочных батарей или NiCd/NiMH-батарей, а также одной батареи типа Li-Ion или Li-Polymer. Отладочная плата представляет собой пример оптимальной разводки под стабилизатор MCP1640 в двух исполнениях: 6-выводный корпус SOT-23 и корпус DFN (2×3 мм). Импульсный стабилизатор MCP1640 имеет широкий диапазон рабочих напряжений (0,35…5,5В), низкое напряжение старта (0,65 В) и выходные напряжения 2,0; 3,0 и 5,0 В. В отключенном состоянии MCP1640 обеспечивает полное отключение входных и выходных выводов друг от друга. Более подробная информация на сайте www.microchip.com.

Сверхмощные SMDсветодиоды Shiao от компании Everlight

Развитие перспективных типов светодиодов связано с оптимальным сочетанием мощности и компактных размеров. В последнее время появились образцы светодиодов, отвечающие этим требованиям. Новая серия светодиодов Shiao, представленная известной компанией Everlight, благодаря применению современных материалов позволяет использовать кристалл мощностью до 20 Вт в однокорпусном исполнении поверхностного монтажа с размерами корпуса 9×7×4,2 мм. Расширенный диапазон температур –40…135°С дает возможность использовать светодиоды Shiao в таких жестких условиях, при которых эксплуатация других светодиодов попросту невозможна. Экологически чистое безсвинцовое исполнение, герметичность конструкции и широкая цветовая гамма делает светодиод универсальным средством воплощения дизайнерских идей при создании энергосберегающих источников основного освещения, а также разнообразных элементов внутренней и внешней архитектурной или ландшафтной подсветки. Everlight Electonics www.everlight-electronics.ru

Дополнительная информация: см. «Политекс», ООО

Драйвер Macroblock MBI5039 с контролем светодиодных линий

Microchip Technology www.microchip.com

Дополнительная информация: см. Microchip Technology

МК И DSP Комплект средств разработки для процессора Blackﬁn дешевле на 70%!

Компания Analog Devices объявила о начале акции, в соответствие с которой можно приобрести со скидкой 70% комплект из полной лицензии VisualDSP++ и бюджетного JTAG-эмулятора (ADZS-ICE-100B) или же полной лицензии VisualDSP++ и высокопроизводительного JTAG-эмулятора (ADZS-HPUSB-ICE). С 1 марта по 31 мая при покупке в компании «Элтех» любого из участвующих в акции комплектов Вы заплатите всего лишь 30% от суммарной стоимости входящих в комплект средств разработки: – экономия более 70%: ADZS-100B-BUNDLE за $995 (без стоимости доставки и налогов); – экономия более 70%: ADZS-BLKFN-BUNDLE за $1995 (без стоимости доставки и налогов). Напоминаем, что компания Analog Devices в начале 2010 года объявила о выпуске новой серии бюджетных процессоров BF50X/F, недорогой оценочной платы и дешевого JTAG-эмулятора. Весенняя акция является разумным продолжением политики, позволяющей российским разработчикам максимально снизить затраты на разработку проектов с использование процессора Blackfin.

Современные светодиоды отличаются повышенной надежностью. Но существуют различные приложения, например, сигнальная индикация, в которых важен постоянный контроль работоспособности светодиодных линий. В этом случае поможет новая разработка компании Macroblock — микросхема MBI5039. Она представляет собой 16-канальный светодиодный драйвер с контролем выходных линий и программной коррекцией тока. Последовательный интерфейс, подобный SPI, позволяет посредством минимального числа линий управлять многоканальной каскадной нагрузкой и одновременно считывать состояние выходов. Микросхема включает в себя 16-битный сдвиговый регистр с параллельной защелкой, который производит последовательно-параллельное преобразование данных. Одновременно с записью данных в выходную защелку, в сдвиговый регистр записывается 16-битовая последовательность статуса выходных линий, что позволяет диагностировать работоспособность светодиодной нагрузки в режиме реального времени. Номинальный ток для всех каналов задается в пределах 5...90 мА при помощи одного внешнего резистора и может быть скорректирован программно. Каждый канал способен управлять цепочкой светодиодов с напряжением питания до 17 В. Высокая базовая частота (30 МГц) позволяет управляющему контроллеру осуществить высокоскоростной обмен данными с одним или несколькими последовательно подключенными микросхемами.

Analog Devices Inc. www.analog.com

Macroblock Inc. www.macroblock.ru

Дополнительная информация: см. «Элтех», ООО

Дополнительная информация: см. «Политекс», ООО

Электронные компоненты №3 2010

115

Светодиодные трубчатые лампы Nationstar

Трубчатые люминесцентные лампы по сей день широко применяются в освещении бытовых и общественных помещений. При этом пользователи идут на неоправданный компромисс с собственным здоровьем и безопасностью людей, используя эти взрывоопасные световые источники со значительным содержанием ртути, а также вредным для глаз мерцанием и ультрафиолетовым спектром свечения. Замена этих ламп на светодиодные лампы стандартного трубчатого типоразмера позволила бы решить эту проблему самым простым и нетрудоемким способом. Компания Nationstar, известная как производитель высококачественных сверхъярких светодиодов, предлагает светодиодные лампы типовых стандартов Т10, T8 и T5 для светильников различной длины. Благодаря стандартным разъемам, лампы можно устанавливать в имеющиеся конструкции без необходимости полного демонтажа, а встроенный блок питания позволяет избавиться от неэффективных и ненадежных дроссельных элементов светильника. Корпус светодиодной лампы сочетает прочную поликарбонатную колбу и алюминиевую подложку для оптимального теплообмена, что обеспечивает безотказную работу в различных условиях эксплуатации. Nationstar www.nationstar.ru

Дополнительная информация: см. «Политекс», ООО

Полноцветные WRGBсветодиоды ProLight Opto серии Hornet

Полноцветные светодиоды интенсивно внедряются во все новые сферы повседневной жизни и профессионального применения. Многообразие цветовых оттенков обычных RGB-светодиодов расширяет новый класс изделий компании ProLight Opto – четырехкристалльные светодиоды Hornet. Обычное однокорпусное сочетание красного, зеленого и синего цвета дополнено белой составляющей. Высокоточная биновка белого кристалла позволяет добиться светлых тонов такого качества, которое недостижимо для цветового смешения традиционных полноцветных светодиодов. Наряду с уникальными функциональными возможностями отдельное внимание заслуживают технические характеристики изделия, выполненного в компактном SMD-конструктиве повышенной надежности, с высококачественной силиконовой линзой и керамическим корпусом с удобной теплоотводной площадкой. Что является залогом долговременной и надежной работы этих сверхярких световых источников мощности до 10 Вт. Повышенная герметичность уровня JEDEC 1 и широкий диапазон рабочих температур (–40…90°С) позволяют не ограничиваться внутренней интерьерной или сценической подсветкой, а использовать светодиоды в любую погоду для качественно нового уровня полноцветных решений архитектурного, рекламного и ландшафтного оформления. ProLight Opto www.prolightopto.ru

Дополнительная информация см. «Политекс», ООО

Драйвер Macroblock MBI6030 для создания полноцветных кластеров.

116

Полноцветные световые решения перестали быть экзотикой благодаря разнообразию и доступности мультикристалльных светодиодов. Красочное ландшафтное освещение, насыщенная цветовая реклама, динамическая интерьерная подсветка и многоцветные светильники вытесняют своих монохромных предшественников из всех сфер применения. Основной проблемой при создании подобных приложений является определение оптимального контроллера, который бы сочетал в себе функции выбора цветности, стабилизации рабочего тока и обеспечения эффективной коммуникации в многоразрядном кластере таких же устройств. Созданный специалистами компании Macroblock драйвер MBI6030 позволяет решить все эти задачи. В состав драйвера входит трехканальный программируемый ШИМ-генератор, 16-битные регистры данных для каждого канала и управляющая логика каскадной передачи пакета последующим элементам цепочки. Двухпроводный синхронный интерфейс дает возможность объединить до 1024 элементов кластера, уменьшая число межплатных соединений. Функциональная самодостаточность микросхемы и простота формирования пакета данных снижает требования к вычислительной мощности управления кластером до самых простейших микроконтроллеров. Macroblock Inc. www.macroblock.ru

Дополнительная информация см. «Политекс», ООО

WWW.ELCP.RU

«Александер Электрик Источники Электропитания», ООО 129226, Москва, пр-т Мира, д.125 Тел.: +7 (903) 156-54-97, +7 (499) 181-26-04 Факс: +7 (499) 181-05-22, +7 (916) 950-87-53 alecsan@aeip.ru www.aeip.ru «Макро Групп», ЗАО 196105, С.-Петербург, ул. Свеаборгская, 12 Тел.: +7 (812) 370-6070 Факс: +7 (812) 370-5030 sales@macrogroup.ru, support@macrogroup.ru www.macrogroup.ru «Политекс», ООО 123308, Москва, Хорошевское ш., 43-В Тел./факс: (495) 755-91-15 box@radiodetali.ru www.radiodetali. 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 Microchip Technology Тел.: +7 (812) 325-5115 sale@gamma.spb.ru www.microchip.com