Электронные компоненты №8/2010

содержание

№8/2010 РЫНОК 6 Бежать изо всех сил вперед

32 Ли Кох Цифровое управление источниками питания: оправдание надежд

РАЗРАБОТКА И КОНСТРУИРОВАНИЕ 11 Жен Му Целостность питания при разработке систем 15 Владимир Бродин, Сергей Чернов Конфигурация среды Eclipse/GCC для разработки программ STM32

36 Пол Рако Цифровое управление питанием. Реальность и вымысел 42 Александр Соколов Выбор емкостного фильтра для трехфазных мостовых выпрямителей

21 Хван-Бон Ку Повышение эффективности импульсных источников питания

45 Слободан Кук Безмостовой преобразователь корректора коэффициента мощности с КПД до 98% и КМ 0,999

28 Пол Лэйси Расчет цепи поглощения высоковольтного выброса для обратноходового источника питания

51 Сергей Кривандин, Андрей Конопельченко Источники питания Mean Well 2010. Курс прежний: энергосбережение

журнал для разработчиков

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

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 04.07.2010 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

56 Евгений Рабинович Ультракомпактные DC/DC-преобразователи серии СС -E с дистанционным управлением 60 Олег Сергеев Источники питания Mean Well для промышленной автоматики

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ 79 Виктор Охрименко DCSK-модемы для PLC-связи: стандарты, производители, компоненты

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ И DSP 83 Роман Попов, Джафер Меджахед STM8 – новый игрок на рынке 8-ми битных МК

65 Евгений Звонарев Батареи и аккумуляторы компании EEMB. Год 2010

СОДЕРЖАНИЕ

4

69 Сергей Кривандин Источники питания PEAK для портативной электроники

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

72 Евгений Рабинович Катодная защита объектов с применением программируемых источников питания TDK-Lambda

ПОСЛЕ РАБОТЫ

88 Евгений Зыкин ЦАП. Так ли все просто?

93 Дирк Герке, Кристиан Хернитшек Модуль дистанционного управления

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 75 Николай Авдеев, Анатолий Белоус, Виктор Зайцев, Александр Колб Микросхема радиочастотной идентификации с протоколом обмена ISO-15693

WWW. ELCP.RU

97

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ НА РОССИЙСКОМ РЫНКЕ

contents # 8 / 2 0 1 0

E LEC TRO N I C COM PO N E NT S #8 2010 60 Oleg Sergeev Mean Well Power Supplies For Industrial Automation

MARKET 6 To Go Forward All Out

65 Eugeny Zvonarev EEMB Batteries And Accumulators. Year 2010

DESIGN AND DEVELOPMENT 11 Zhen Mu Power Integrity In System Design

69 Sergey Krivandin PEAK Power Supplies For Portable Electronics

15 Vladimir Brodin, Sergey Chernov Eclipse/GCC Environment Configuration For STM32 Programming

WIRELESS

21 Gwan-Bon Koo Achieving High Efficiency With Power Switches 28 Paul Laisy High Voltage Spike Absorption Circuit Design For Flyback Power Supply

75 Nicolay Avdeev, Anatoly Belous, Victor Zaytsev, Alexander Kolb Radio Frequency Identification ISO-15693 Communications Protocol Chip

NETWORK AND INTERFACES

32 Lee Koh Digital Power Supply Control: Delivering The Promises 36 Paul Rako Digital Power, Without The Hype

79 Victor Ohrimenko DCSK Modems For PLC Communications: Standarts, Manufacturers, Components

42 Alexander Sokolov Selecting Filter Capacitors For Three Phase Bridge Rectifiers 45 Slobodan Cuk True Bridgeless PFC Converter Achieves Over 98% Efficiency, 0.999 Power Factor 51 Sergey Krivandin, Andrey Konopelchenko Mean Well Power Supplies 2010. Course Is Former: Energy Saving 56 Eugeny Rabinovich СС-E Series Ultra Compact Remote Control DC/DC Converters

5

MICROCONTROLLERS AND DSP 83 Roman Popov, Dzhafer Medjahed STM8 – New Player In 8-Bit Microcontrollers Market

THEORY AND PRACTICE 88 Eugeny Zykin DAC. Is Everything Elementary So Much?

AFTER WORK 93 Dirk Gerke, Christian Hernitscheck Remote Control Module 97

NEW COMPONENTS IN THE RUSSIAN MARKET Электронные компоненты №8 2010

СОДЕРЖАНИЕ

POWER SUPPLIES

72 Eugeny Rabinovich Cathode Protection Of Objects Using TDK-Lambda Programmable Power Supplies

БЕЖАТЬ ИЗО ВСЕХ СИЛ ВПЕРЕД Читая в прессе об очередной не имеющей аналогов разработке SPIRIT Telecom, поражаешься той кипучей энергии, живому и созидательному духу, которым отличается эта компания на российском рынке программных решений. Блог Андрея Свириденко, председателя правления группы компаний SPIRIT, подтверждает справедливость этой оценки: на веб-странице немало интересных мыслей и выводов, которые позволяют лучше понять проблемы российского рынка хай-тека, причины отсутствия экономической стратегии нашего государства, а также пути выхода из этой вялотекущей ситуации.

РЫНОК

6

— Расскажите, пожалуйста, о компании: ее истории; основной деятельности; партнерах; структуре и численности.

— Группа компаний SPIRIT была основана в 1992 г. Она является лидирующим в мире разработчиком и лицензиаром программных продуктов в области передачи голоса и видео по IP-сетям, программных продуктов для организации интернет-видеоконференций, а также программных продуктов и дизайнов для спутниковых навигационных приемников ГЛОНАСС/GPS. Прямые клиенты SPIRIT продают 60% всех смартфонов в мире. Продукты SPIRIT используются в 80 странах, обеспечивают более 200 млн голосовых каналов и более 50 млн музыкальных каналов. SPIRIT входит в первую десятку компаний мирового рынка интернет-телефонии по версии авторитетного американского издания FierceVoIP (вместе с такими мировыми лидерами как Cisco, Avaya и Comcast). У SPIRIT более 250 клиентов по всему миру, включая Apple, Adobe, ARM, AT&T, Blizzard, BT, China Mobile, Cisco, Ericsson, HP, HTC, Huawei, Korea Telecom, Kyocera, LG, Microsoft, NEC, Oracle, Polycom, Radvision, Samsung, Skype, Texas Instruments, Toshiba, Veraz, ZTE и других производителей телекоммуникационного оборудования и программного обеспечения, а также Министерство обороны, Министерство образования и науки РФ, Администрация Президента РФ. Численность SPIRIT — 120 человек. Компания на 95% является экспортером. В активе SPIRIT более 20 престижных мировых наград «Продукт года» за качество и инновационность продукции. В частности, за продукт TeamSpirit Voice&Video Engine Mobile мы получили награды Unified Communications Magazine 2009 Product of the Year Award и Internet Telephony Excellence Award 2007. Представительства SPIRIT расположены в США, Японии, Корее, Тайване, Китае, Израиле, Германии, Италии, Франции, Египте.

WWW.ELCP.RU

— Охарактеризуйте, пожалуйста, в общих чертах российский и мировой рынки софтверных компаний, разрабатывающих встраиваемое программное обеспечение.

— Российский рынок встраиваемого софта еще плохо сформирован. Российские компании-клиенты, как правило, впадают в две крайности — либо покупают все готовое (и «железо», и софт) за рубежом, либо находят программистов и занимаются самостоятельной разработкой. Мировые технологические лидеры работают совсем по-другому. Они ориентированы на масштабную технологическую и продуктовую кооперацию, самым тщательным образом занимаются качеством и функционалом своего конечного продукта, часто лицензируя встраиваемые компоненты от лучших сторонних поставщиков. Не имея достаточного опыта, российские компании производят очень мало продуктов мирового класса, характеризуются слабым международным маркетингом и продажами. Нужно быть технически лучшей компанией, чтобы выигрывать контракты с мировыми поставщиками программного обеспечения и электроники. В своем узком сегменте рынка мы №1 по качеству. При этом надо постоянно бежать вперед, поддерживать новые платформы, делать новые продукты, чтобы оставаться на передовом крае технологий. Если постоянно не бежать изо всех сил вперед, то отстать можно очень быстро — таковы реалии инновационных технологий. К примеру, мы были первыми в мире, кто продемонстрировал голосовые и IP- видеоконференции на таких устройствах как iPad и телефонах под управлением Android.

— Можно по каким-либо объективным показателям, например, по доходу на одного сотрудника, сравнить российские и западные софтверные компании?

— Обычно средние калифорнийские компании обгоняют средние

российские технологические компании по доходу на сотрудника в 3—4 раза. Мировые лидеры могут обгонять российские компании по доходу на сотрудника в 10 и более раз. С другой стороны, в США много технологических стартапов, которые получили инвестиционное финансирование, но могут оставаться убыточными 5 и даже 10 лет подряд. Это, однако, не мешает мировым лидерам такие технологические компании покупать и платить за них огромные деньги, если продукты, которые эти компании создали на вложенные средства, передовые, инновационные и стоящие. У SPIRIT нет внешних инвесторов, и компания прибыльна с момента ее основания.

— Почему полем приложения усилий выбрана навигационная аппаратура? Партнерство с Intel будет развиваться и далее?

— С 1995 г. мы занимались разработкой коммуникационного и навигационного DSP-софта. Это горячие темы в мире, которые востребованы производителями процессоров и аппаратуры. Нашими прямыми клиентами являются такие производители и разработчики процессоров как ARM, Agere, Texas Instruments, Samsung, ST-Micro, Freescale, NXP, DSPG, Tensilica, MIPS, CML-Micro, Toshiba и др. Возможные применения навигационных продуктов SPIRIT — в навигаторах, специальных и военных приложениях, где мы обеспечиваем экстремальные технические характеристики при более высоких требованиях к производительности процессора.

Intel пока не является нашим прямым клиентом, но платформа x86 очень популярна (правда, пока не во встраиваемых системах). Мы решили сделать софтверное решение 24-канального сверхчувствительного приемника ГЛОНАСС-GPS на платформе Intel Atom как раз потому, что он не требует разработки и производства отдельного навигационного чипа, работая на стандартной платформе x86. В то же время

— Как Вы оцениваете емкость российского рынка навигационных систем? Какова доля сегмента рынка, регулируемого государством (транспорт, МЧС и т.д.)? Насколько удовлетворяет Вас сбыт продукции SPIRIT на отечественном и зарубежном рынках?

— По нашим оценкам, емкость российского рынка навигационных модулей, которые в состоянии в настоящее время производить отечественная промышленность, около 100 тыс. ед. в год. Это не массовые, а профессиональные устройства для управления транспортом, телематические терминалы. Рынок сбыта под чипсеты следующего поколения, которые выйдут в серию в середине 2011 г., — это уже сотни тысяч, а, возможно, даже миллионы экземпляров в год. Российский рынок сегодня занимает всего несколько процентов от мирового. Если говорить о мировом рынке навигационных услуг и оборудования, то его емкость оценивается примерно в 60 млрд, а российского — около 250 млн долл. Это в районе 1 млн ед. устройств с GPS-модулями, включая трекеры, навигаторы, коммуникаторы, охранно-поисковые системы, телематические терминалы. Мы можем продавать больше и за рубежом, и внутри России. Последние события на мировом рынке, в частности, поглощение компанией Google нашего основного мирового конкурента, укрепили позиции компании SPIRIT как поставщика №1 голосовых и видеодвижков в глобальном масштабе. На глобальном рынке мы более известны, и наши позиции более прочны. А в России конкуренция и рынок недостаточно сильны, чтобы инновации были реально востребованы крупным российским бизнесом. Отечественный рынок нам труднее завоевать, хотя должно быть ровно наоборот.

— SPIRIT — сторонник программной реализации приемника, в то время как большая часть рынка принадлежит аппаратным решениям. Выходит, аппаратура компании находит применение в очень узких областях?

— Выбор заказчика зависит от конкретного приложения. В одних случаях целесообразно использовать отдельный навигационный кристалл

или чипсет, в других — программное решение, для третьих — их сочетание. Основная тенденция — это аппаратнопрограммные решения для навигационных приемников, а не чисто аппаратные. У SPIRIT имеется и продукт для навигационного чипа на ядре ARM, и программный приемник на Intel Atom или TI, где обработка сигнала происходит на центральном процессоре и может сочетаться с другими задачами. При этом отдельный навигационный чип не требуется. Выбор и платформы, и вида приемника мы оставляем нашим клиентами, а сами продаем лицензии на свой софт и дизайны.

— Интернет-телефония стремительно развивается. Можно ли прогнозировать ситуацию на несколько лет вперед? Не вытеснят ли Skype, ICQ и подобные средства голосовой связи традиционную проводную телефонию?

— Конечно, весь мир движется в сторону интернет-видеотелефонии. За пять лет компания Skype стала самым крупным оператором МГ/МН-связи в мире, имея почти 700 млн пользователей и обеспечивая 12% рынка всего международного трафика. В целом, Skype стимулирует проникновение широкополосного доступа (ШПД) в интернет. Операторы переводят инфраструктуру на IP-технологии, снижают за счет унификации себестоимость операторских услуг, обеспечивают гибкость систем и возможность глобального охвата. В настоящее время большинство операторов связи в Европе и США предоставляет пакет услуг, включающий доступ в интернет, местную, дальнюю, мобильную связь, ТВ и т. д. Такое объединение операторов идет и в России. Росту популярности VoIP будет способствовать увеличение количества моделей абонентских устройств, в частности, относительно недорогих SIP-телефонов, а также расширение и усовершенствование новых сервисов. С ростом качества голоса в IP-телефонии все больше индивидуальных и корпоративных пользователей будет выбирать этот вид коммуникаций. Только телефония уже не удовлетворяет потребности заказчика в эффективной коммуникации. Будущее — за видеоконференциями, причем недорогими, многоточечными, простыми, работающими на обычных ПК и смартфонах с интегрированными приложениями, с доступом к социальным сетям, порталам и документооборотом.

— Как Вы считаете, экономический кризис на руку российским компаниям, работающим на рынке электроники? Как отразился кризис на Вашей компании?

— Экономический кризис дал России шанс попытаться соскочить с нефтяной иглы, избавиться от нефтяного проклятия, развернуться в сторону модернизации, инноваций, создания конкурентоспособных высокотехнологичных продуктов. Но, кажется, кризисы слишком быстро забываются, и существенных изменений в нашей экономике в пользу отечественного высокотехнологичного производителя пока не происходит.

SPIRIT работает на мировом рынке, поэтому кризис мы тоже, конечно, почувствовали –многие наши клиенты оказались в трудном положении и снизили объемы закупок. Но мы работаем в 80 странах, что дает нам большую устойчивость. Мы усилили свою работу в Китае, экономика которого продолжала расти, и снизили активность в США, которая обходится весьма дорого. Мы также оптимизировали внутреннюю структуру компании и сократить неэффективные издержки.

— Насколько эффективны меры государства по развитию российского рынка электроники?

— Государство должно инвестировать в развитие отечественного рынка и поддерживать конкурентоспособных на мировом рынке отечественных производителей у себя в стране. Российские программные продукты иногда технически превосходят иностранные аналоги, но в продажах, маркетинге и финансах мы сильно отстаем от мировых лидеров даже внутри своей страны. Крупные отечественные клиенты должны отдавать предпочтение конкурентным высокотехнологичным продуктам отечественного производства, но сегодня мы видим ровно обратное. Посмотрите, с какой настойчивостью правительства США и Китая лоббируют интересы своих производителей программного обеспечения. Они делают это как на внутреннем, так и на международном уровне. У нас все по-другому. Имея возможность приобретать российскую продукцию, которая превосходит по цене и качеству зарубежные аналоги, государство и большие окологосударственные компании покупают почти исключительно иностранное оборудование и программное обеспечение.

— Почему государство так неохотно поддерживает отечественные компании? Не хватает воли, грамотных управленцев или причина тому — масштабная коррупция?

— У нас инновации пока не в почете. Например, рынок сотовой связи России отстает от европейского на

Электронные компоненты №8 2010

7 РЫНОК

Intel позиционирует линейку процессоров Atom именно для встраиваемых и мобильных приложений. Кроме того, этот чип достаточно мощный, чтобы выполнять необходимую обработку сигналов, и имеет большую встроенную кэш-память L2.

пару лет, а от японского — на все 10. В стратегически отраслях, будь то навигация или телекоммуникации, нужна прямая и явная поддержка государства. Если государство не начнет систематически поддерживать конкурентных российских производителей софта и экспортеров, Россия не сможет избавиться от информационной и технологической зависимости, в которую мы попали в последние 20 лет. А ведь информация — это власть, и чем дальше, тем больше. Индустрия программных продуктов у нас не получает системной поддержки от властей. Проблема в отсутствии технической стратегии у государства и понимания того, как будет развиваться сотрудничество между государством и российскими производителями софта и высоких технологий. Могу сказать, что в сфере программного обеспечения существенное ускорение этого процесса без государственного протекционизма практически невозможно, потому что небольшие отечественные инноваторы борются с мировыми монополистами даже в собственной стране, и силы слишком неравны. Ведь нашим компаниям приходится бороться с крупнейшими иностранными монополиями. Как школьнику драться с отборной шпаной? Хочу сразу оговориться, что протекционизм, о котором говорю я, заключается не в запретительном ограждении российского рынка от иностранных продуктов, а в создании равных условий, защите от монополизма иностранных производителей, в подготовке российских производителей софта к глобальной конкуренции. Причем речь идет о конкурентоспособных российских программных продуктах, которые уже проверены временем и индустрией, с которыми можно выйти на мировой рынок. Подобные программы разумного протекционизма уже успешно опробованы в разных странах, в т.ч. в Израиле, Китае и Бразилии и даже в США.

РЫНОК

8

— Можно ли улучшить положение дел за счет частных, а не государственных инвестиций?

— Работа в этом направлении ведется. Например, на последнем заседании комиссии по модернизации экономики Президент России Д. Медведев назвал пять конкретных мер для развития венчурного капитала в России: 1) новые эффективные организационноправовые формы для возникающих венчурных фондов и стартапов; 2) система экспертиз и целый набор сервисных услуг; 3) расширение направлений, финансируемых Фондом содействия развитию малых форм предприятий; 4) создание условий, которые позволят привлеченному капиталу оставаться в российских компаниях; 5) обеспечение непрерывной работы всех звеньев инновационной цепочки и координации институтов развития. Однако пока ни у кого нет ощущения, что венчурная и инновационная деятельность хорошо работают в России как система. В августе 2010 г. стало известно, что правительство РФ предлагает предоставить частным фондам финансирования науки и инновационной деятельности те же налоговые льготы, которыми до сих пор пользовались только федеральные госфонды. Соответствующий законопроект внесен в Госдуму. Средства, направленные на поддержку научной и инновационной деятельности, будут исключаться из налогооблагаемой базы в пределах 1,5% дохода или валовой выручки. Эксперты оценивают этот законопроект как правильный и своевременный. Однако не следует ждать немедленного эффекта от этой инициативы — она рассчитана на будущее.

— Какой смысл Вы вкладываете в понятие «российская электроника»? Никто, например, уже не говорит о «японской электронике».

— В электронике, производимой пока в России, процессоры американские, поэтому важно, какой софт

используется внутри. Российский софт делает электронику российской. А производить можно хоть в Китае — главное, кто владеет дизайном и ноу-хау. Отечественный производитель — это компания, конечными бенефициарными владельцами которой являются граждане России, проживающие в своей стране. Отечественный производитель продуктов также должен владеть интеллектуальной собственностью производимых им продуктов, как например, SPIRIT. А японская электроника, как известно, — это NEC, Toshiba, Sony, Sharp, Denon, Casio и другие известные фирмы, многие из которых, кстати, являются клиентами SPIRIT. — Какую долю оборота компания тратит на исследовательские работы, результаты которых пригодятся через 2—3 года и даже более?

— На НИОКР мы тратим более трети того, что зарабатываем. Это единственный путь для инновационной компании — постоянно оставаться на переднем крае развития технологии.

— Как компания решает кадровую проблему, которая, как известно, представляет собой большую головную боль для предприятий?

— Этот процесс сродни поиску иголки в стоге сена. Приходится перерабатывать огромное количество породы, чтобы найти то, что нужно. В инженерном смысле наши продукты очень интересны. Мы работаем на мировом рынке. Решаемые нашей компанией задачи привлекают талантливых и креативных людей.

— Существуют ли планы развития SPIRIT на несколько лет вперед?

— Да, конечно, — мы опережаем глобальный рынок на 2 года и консультируем своих клиентов со всего мира в отношении их стратегий в области коммуникаций и связи следующего поколения, поддерживаем их будущие продукты готовыми продуктами.

СОБЫТИЯ РЫНКА | КОНФЕРЕНЦИИ «КОМПЛЕКСЫ ОТЕЧЕСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ» И «ОБОРУДОВАНИЕ СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИИ» | Продолжается прием заявок на участие в конференциях «Комплексы отечественного технологического оборудования» (27.10.2010) и «Оборудование спутниковой навигации, модули и электронные компоненты» (26.10.2010), которые пройдут в рамках деловой программы «Российской недели электроники 2010». Ознакомиться с программами конференций и заполнить заявку на участие можно на сайте http://chipexpo.chipexpo.ru/program.html в разделе «Конференции». Уточнено время проведения «Российской недели электроники» в будущем году — 1–3 ноября 2011 г. Общая площадь экспозиции составит более 10 тыс. кв. м. Выставки пройдут в «Экспоцентре» на Красной Пресне, где в эти же дни будет проходить «Роснанофорум». www.RussianElectronicsWeek.ru

WWW.ELCP.RU

НОВОСТИ СВЕТОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ | СИГНАЛЫ В ОПТОВОЛОКНЕ УДАЛОСЬ СДЕЛАТЬ ВЕЧНЫМИ | Обычно данные по оптоволокну передаются в виде последовательности световых импульсов, где каждый импульс кодирует один бит информации. Дополнительная информация потенциально может быть добавлена в поток света путём изменения фазы каждого светового импульса значимым образом. Еще большей пропускной способности можно добиться, используя свет на нескольких уровнях интенсивности, на порядок выше, чем сейчас, — говорит Дэвид Ричардсон из университета Саутгемптона. При взаимодействии с оптоволокном световые сигналы постепенно искажаются. Чем сложнее сигнал, тем труднее его распознать после такого затухания. Британские учёные нашли способ обратить вспять процесс деградации и восстановить исходный сигнал. Их устройство создаёт копию ослабленного входящего сигнала и смешивает её с лазерным лучом в специально разработанных оптических волокнах. Это порождает два дополнительных сильных сигнала, которые идеально согласуются по фазе с первоначальным, только один имеет более высокую частоту, а второй — более низкую. Эти сигналы выступают в качестве строительных лесов, которые (после взаимодействия со второй копией первоначального сигнала во втором оптоволокне) устраняют шум и генерируют чистый вариант сигнала. Учёные продемонстрировали эффективность устройства и метода на скорости 40 гбит/с и уверены, что справятся и с более высокими скоростями. Подобные системы создавались и раньше, но они действовали только в том случае, когда и фаза, и несущая частота входящего сигнала были известны. Новый прибор способен восстановить входящий сигнал без этой информации. Нынешняя версия устройства работает с относительно простыми сигналами, в которых информация кодируется одной из двух фаз света — так называемые двоичные сдвинутые по фазе ключи (binary phase-shifted keys, PSK). «Наш главный интерес сейчас заключается в работе с более сложными сигналами, такими как квадратурные PSK, которые могут кодировать больше данных», — поясняет г-н Ричардсон. Компоненты аналогичного прибора демонстрировались также учёными университета Центральной Флориды (США) во главе с Гуйфаном Ли, но объединить их в полностью функционирующую систему американским специалистам пока не удалось. www.russianelectronics.ru

НОВОСТИ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ | ЕВРОПА УПРОЧИЛА ЛИДЕРСТВО В СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ | Объединённый исследовательский центр Европейской комиссии опубликовал отчёт о развитии солнечной энергетики в 2009 г., из которого следует, что 78% всех установленных в этот период мощностей обеспечивают энергией именно европейских потребителей. Солнечные элементы, введённые в прошлом году в эксплуатацию в Европе, обеспечили прирост мощности на 5,8 ГВт, а в целом по миру этот показатель достиг 7,4 ГВт. Основная заслуга принадлежит Германии, которая дала увеличение мощности сразу на 3,8 ГВт и вообще считается признанным мировым лидером в использовании солнечной энергии. За Германией следуют Италия, прибавившая 0,73 ГВт, а также Япония и США с приростом в 0,48 и 0,46 ГВт. Чуть ниже расположились ещё две европейские страны — Чехия (0,41 ГВт) и Бельгия (0,3 ГВт). К концу 2009 г. общий объём установленных солнечных мощностей в Европе вырос до 16 ГВт, а в мире — до 22 ГВт. Стоит заметить, что такие темпы развития всё равно не позволяют солнечной энергетике приблизиться к традиционной: в странах Евросоюза её доля в общей генерации электроэнергии составляет лишь 0,4%, а в мире эта величина не превышает 0,1%. Производители солнечных элементов в прошлом году также продемонстрировали неплохой рост, увеличив «мощностной» объём выпуска на 56% по сравнению с 2008 г. и выйдя на уровень 11,5 ГВт. Лидеры рынка — Китай с 4,4 ГВт и Тайвань с 1,6 ГВт. Авторы отчёта отметили также резкое снижение цен на солнечные модули и то, что поликристаллические кремниевые элементы пока занимают 45–50% рынка. Набирают популярность тонкоплёночные элементы, рыночная доля которых выросла с 6% в 2005 г. до 16–20% в 2009 г. www.russianelectronics.ru

НОВОС ТИ

10 НОВОСТИ МУЛЬТИМЕДИА И ТЕЛЕКОМ

| ОСНОВНОЙ ТЕМОЙ IFA 2010 СТАЛА СТЕРЕОСКОПИЯ | Выставка IFA-2010 подтвердила, что одной из основных тенденций развития потребительской электроники становится переход к стереоскопическим изображениям. Устройства, в той или иной степени ориентированные на создание и просмотр объемных изображений, были представлены в экспозициях ведущих компаний — Sony, Panasonic, Samsung Electronics, LG Electronics, Sharp и ViewSonic. На стендах можно было видеть 3D-телевизоры, 3D-видеокамеры, сотовые телефоны с 3D-камерами и 3D-экранами. Например, компания Panasonic показала стереоскопический объектив системы Micro Four Thirds. Была представлена видеокамера производства Aiptek, предназначенная для 3D-съемки. На стенде Sharp был показан сотовый телефон со встроенной 3D-камерой и 3D-экраном. Размер экрана — 3,8 дюйма, разрешение — 400×480 пикселов. Пользователи могут просматривать стереоскопические снимки, сделанные камерой телефона, на встроенном или внешнем экране. Кроме того, известно о планах Sharp оснастить объемным экраном электронную книгу. www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU

ЦЕЛОСТНОСТЬ ПИТАНИЯ ПРИ РАЗРАБОТКЕ СИСТЕМ ЖЕН МУ, Mentor Graphics Corp В статье обсуждаются фундаментальные принципы и концепции, используемые при построении целостных систем питания. Приводятся ответы на вопросы, часто возникающие в процессе разработки систем распределения питания, касающиеся представления сети распределения питания, определения импеданса такой сети, в каком диапазоне он должен находиться и какие факторы влияют на его величину. В статье также рассматривается вклад в характеристики системы питания, вносимый токами ИС, паразитной индуктивностью корпуса и паразитной ёмкостью линий питания.

Как отдельный термин «целостность питания» появился в начале 2000-х гг. Однако обеспечение правильного питания играло важную роль при разработке цифровых устройств с момента их появления: без питания не будет и полезного сигнала. При проектировании систем инженерам было необходимо убедиться не только в том, что логические сигналы будут переданы точно и вовремя, но и в том, что эти сигналы будут сформированы. На рисунке 1 показан процесс разработки ИС, представленный IBM в начале 1980-х гг., в котором чётко прослеживается взаимосвязь между проектированием системы питания и системы передачи сигналов. Он убедительно демонстрирует, что процедуры контроля статического падения напряжения на проводниках и шумов питания ведутся параллельно с разработкой сигнальных цепей. В 2005 г. в секции разработки системы питания на симпозиуме IEEE EMC были сформулированы следующие требования целостности питания для сетей питания ИС (см. рис. 2): 1. Сеть питания (Power Delivery Network, PDN) должна обеспечивать достаточное питание для ИС.

2. PDN должна обеспечивать малошумящие каналы передачи сигналов.

3. PDN должна мало излучать. Эти требования фактически представляют собой требования к системе питания готовой к производству ИС. Первое из них — «достаточное питание» — требует, чтобы сама по себе сеть питания в идеале не потребляла энергии вообще, а достаточное количество энергии источника питания передавалось только активным устройствам (ИС). Именно это и является характеристикой сети питания — достаточность и эффективность. Наличие малошумящих каналов передачи сигнала означает, что сеть

питания не должна вызывать дополнительных проблем с обеспечением целостности полезного сигнала. В реальности сеть питания представляет собой связующее звено между блоками и модулями питания (источниками энергии) и микросхемами (активными устройствами-потребителями энергии), состоящее из плат и модулей с токопроводящими слоями, разведёнными

дорожками на плате и развязывающими конденсаторами. Поскольку абсолютно не потребляющую сеть создать принципиально невозможно, задачей проектировщика сети питания является минимизация этого потребления и обеспечение подачи заданного напряжения на ИС, что означает малое сопротивление цепи питания как для постоянного, так и для переменного тока.

11 РА З РА Б О Т К А И К О Н С Т Р У И Р О В А Н И Е

ЦЕЛОСТНОСТЬ ПИТАНИЯ И СЕТЬ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПИТАНИЯ

Рис. 1. Алгоритм проектирования, предложенный IBM в начале 1980-х гг.

Электронные компоненты №8 2010

Рис. 2. Сеть питания в представлении производителей оборудования

Рассматривая сеть питания как линейную цепь с именованными узлами и током, текущим от источника питания через сеть питания к ИС, мы определим импеданс в заданной точке сети как (1).

Рис. 3. Целевой импеданс: отсутствие частотной зависимости

Рис. 4. Импеданс хорошо сконструированной сети питания

Рис. 5. Допустимые изменения целевого импеданса на частотах выше fMAX

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

12

Рис. 6. Многопортовая линейная цепь ИМПЕДАНС СЕТИ ПИТАНИЯ

В первую очередь, сеть питания должна обладать малым импедансом. Однако вопрос заключается в том, чтобы определить, насколько малым должен быть этот импеданс, чтобы обеспечить достаточное питание для ИС? Для ответа на этот вопрос рассмотрим сначала математическое представление импеданса.

WWW.ELCP.RU

В данном случае импедансом является отношение реального потенциала узла к сумме динамического тока потребления ИС при определённой частоте. Если принять полный ток за 1, то потенциал какого-либо узла соответствует его импедансу. При заданной частоте ƒ, когда x и у представляют собой координаты выводов питания ИС, импеданс узла является тем единственным параметром сети питания, с которым имеет дело питаемая ИС. Именно поэтому инженерыразработчики и интересуются величиной импеданса, стремясь сделать её как можно меньше. Важно отметить, что импеданс рассматривается в частотной области. Далее следует определить, как использовать его в процессе разработки цифровой системы, анализ которой ведётся обычно во временной области. Считая, что источник питания должен выдавать достаточно стабильное постоянное напряжение, а ИС допускают изменение питающего напряжения в определённых пределах, получим, что номинальное напряжение и допуск на напряжение питания ИС определяют допустимый диапазон вариаций напряжения, выдаваемого источником питания. Поскольку изменение напряжения во времени в частотной области отображаются сплошным спектром, цель разработчика сети питания состоит в том, чтобы достичь минимального изменения напряжения питания при максимальном токе потребления ИС. Именно это мы называем целевым импедансом Z T: , (2) где уровень допустимых пульсаций задан как относительная величина. При этом значение напряжения источника питания, величина пульсаций и

ток потребления ИС берутся для наихудшего случая. Поскольку напряжение пульсаций и наибольший потребляемый ток могут быть достигнуты на любой, заранее неизвестной частоте, то целевой импеданс не зависит от частоты. На практике невозможно обеспечить частотно-независимый целевой импеданс, и это не является необходимостью из-за ограниченной скорости переключения ИС. Для конкретной разработки всегда задаётся максимальная частота ƒMAX (см. рис. 3). Очевидно, что конструкция сети питания является хорошей, если импеданс, рассчитанный в соответствии с формулой (1), меньше или равен целевому во всех точках подсоединения контактов питания ИС и при любых частотах, меньших максимальной (см. рис. 4). На частотах выше ƒMAX импеданс может превышать целевой (см. рис. 5), что позволяет минимизировать затраты. Поскольку пульсации напряжения питания вызываются токами переключения всех подключённых к сети питания ИС, термин «ток» в формуле (2) соответствует в действительности суммарному изменению потребляемых токов, т.к. невозможно предсказать момент переключения отдельной ИС. С этой точки зрения оценка целевого импеданса в формуле (2) является пессимистической. Другими словами, конструкция, основанная на требованиях к целевому импедансу, может быть неоптимальной. ВЫВОДЫ ПИТАНИЯ ИС, ТОКОВЫЕ ПРОФИЛИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ИМПЕДАНС СЕТИ ПИТАНИЯ

Если для простоты представить себе источник питания как комбинацию идеального источника напряжения и пассивной цепи, сеть питания от источника питания до выводов питания ИС можно рассматривать как линейную цепь. Эта цепь становится многопортовой линейной цепью, если учесть наличие нескольких ИС с собственными выводами питания, как показано на рисунке 6. На отличных от нуля частотах идеальный источник напряжения эквивалентен заземлению, так что все порты сети соответствуют выводам питания ИС. В реальности портами (тестовые точки 1 и 2 на рисунке 2) считаются конечные точки сети распределения питания, в которых должны обеспечиваться необходимые уровни напряжения. Как и в типовом случае, описываемом формулой (1), где узлы соответствуют выводам питания ИС, у этих портов имеется собственное сопротивление и внутреннее сопротивление многопортовой сети распределения питания, которые должны соответствовать критерию непревышения целевого импеданса.

динамических токов потребления. К счастью, обычно производители ИС охотно предоставляют такую информацию разработчикам радиоаппаратуры. ПАРАЗИТНЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИС И ИХ КОРПУСАХ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ИМПЕДАНС СЕТИ ПИТАНИЯ

Все эти рассуждения относительно импеданса сети питания основывались на предположении, что цепи питания окан-

13 РА З РА Б О Т К А И К О Н С Т Р У И Р О В А Н И Е

Важно отметить, что импеданс сети питания определяется исключительно физической структурой сети и расположением портов в цепи передачи напряжения питания. Импеданс при этом рассчитывается так же, как для любой другой многопортовой линейной электрической цепи. При этом он является характеристикой самой сети питания и не зависит ни от напряжения источника питания, ни от тока потребления ИС. Именно по этой причине программы симуляции цепей питания не позволяют учитывать реальные токи потребления при расчёте импеданса. Какова же роль тока потребления при анализе сетей питания? Потребляемый микросхемой ток можно разделить на две составляющие: постоянный и динамический ток потребления (или ток переключения). Постоянный ток обеспечивает микросхеме нормальные условия работы в статическом режиме, в то время как динамический ток потребления возникает только при переключении логических элементов в ИС. Мы будем в основном рассматривать динамическую составляющую тока потребления. В высокоскоростных устройствах логические устройства обычно переключаются последовательно. Это означает, что полный ток переключения изменяется во времени, что с точки зрения сети питания означает подключение меняющегося во времени источника тока к одному или нескольким портам сети. Такие изменения тока вызывают соответствующие импульсы напряжения, распространяющиеся по сети питания, что отражается в изменении реального напряжения, которое поступает на выводы питания других переключающихся ИС. Главный вопрос состоит в том, останутся ли в допустимых пределах изменения напряжения питания, если сеть питания соответствует требованиям целевого импеданса, а все временные профили токов потребления известны? Ответ положительный при условии, что величина спектральных составляющих динамического тока потребления пренебрежимо мала для всех частот выше fMAX. На рисунке 7 показан пример временной формы динамического тока потребления и соответствующий ему спектр. Обозначим импеданс и спектральное представление динамического тока отдельного порта (вывода питания ИС) как Zp(f) и Ip(f). При этом величина спектральной составляющей напряжения может быть вычислена как Vp(f = Zp(f) ∙ Ip(f) при любой частоте f. Форма напряжения во временной области Vp(t) может быть получена путем применения к Vp(f) обратного преобразования Фурье. Если для всех частот f < fMAX выполняются условия Zp(f) < Z T и Ip(f) < Imin, то Vp(t) гарантированно будет меньше допустимого уровня пульсаций. Описанный выше пример фактически показывает способ выбора максимальной частоты для определения целевого импеданса. Очень просто понять, почему: если отсутствуют существенные по величине спектральные составляющие с частотами выше fMAX, не имеет смысла заботиться о малой величине импеданса в этой частотной области. Итак, величина и форма тока потребления не оказывают влияния на импеданс сети питания, однако определяют верхний предел целевого импеданса для проектируемой сети питания. Последним вопросом, связанным с током потребления, является то, где разработчик может отыскать реальные графики изменения тока потребления. Как уже говорилось ранее, динамический ток потребления соответствует изменяющейся мощности потребления ИС, состоящей из вычислительного ядра и узлов внешнего интерфейса. Учитывая, что у программ САПР и моделирования плат и узлов нет доступа к полным базам данных по ИС, а внутренняя структура микросхем в общем случае лежит за пределами их «разрешающей способности», наилучшим способом получения таких графиков является помощь со стороны производителей ИС, у которых обычно имеются инструменты для анализа

Рис. 7. Вариант формы импульса динамического тока и соответствующий ей спектр

Электронные компоненты №8 2010

чиваются на выводах корпусов типа BGA (в которых выводы корпуса совпадают с выводами кристалла ИС), припаянных к печатной плате. Однако в реальности в число компонентов на плате входят и установленные в другие типы корпусов микросхемы, а ИС в BGA-корпусах часто монтируются через переходные колодки. В результате цепи, связывающие кристалл с выводами корпуса, также входят в цепи передачи питания и являются частью проектируемой сети питания. В общем случае такие цепи чаще всего имеют индуктивный характер и вносят дополнительный импеданс. Если известна индуктивность выводов таких корпусов, то её следует учесть при расчёте включением соответствующей индуктивности последовательно с выводом питания. Недостатком такого метода является то, что при замене одного компонента другим с иным типом корпуса приходится производить перерасчёт импеданса сети питания. Наилучшим способом минимизации проблем в этом случае является наличие в составе программ анализа целостности питания опций, которые соответствуют используемым типам корпусов. Помимо индуктивности выводов, на импеданс оказывает влияние внутрикристальная ёмкость микросхем, которая вместе с внешними цепями питания может образовывать резонансные цепи. При анализе цепей питания такие паразитные ёмкости включаются параллельно соответствующему ИС источнику тока. Неудобства от этих емкостей точно такие же, как от индуктивности выводов, а решение данной проблемы так же основано на введение в САПР системы питания соответствующих опций. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Хотя целостность питания и является относительно новым понятием, заложенная в неё концепция на самом деле используется уже много лет. Обеспечение целостности питания гарантирует получение микросхемами адекватного питания и отсутствие дополнительных трудностей, связан-

ных с электромагнитной совместимостью. Важно отметить, что хорошая сеть питания — это сеть питания с импедансом, меньшим целевого. В любом случае, разработчики должны понимать следующее.

1. Анализ сети питания в действительности производится в частотной области.

2. Собственный импеданс сети питания и целевой импеданс являются частотно-зависимыми величинами.

3. Определение целевого импеданса представляет собой пессимистический критерий.

4. Профиль изменения тока потребления ИС не влияет на собственный импеданс сети питания, однако позволяет определить его верхнюю границу.

5. При анализе сети питания следует учитывать паразитные компоненты — индуктивность выводов питания и собственную ёмкость кристалла ИС. ЛИТЕРАТУРА 1. Mu, Z., Discussing impedance distribution with multiple stimulating sources in power distribution system design and simulation, EPEP2008, Oct. 2008.

2. Smith, L. D., Anderson, R. E., Forehand, D. W., Pelc, T. J., and Roy, T., Power distribution system design methodology and capacitor selection for modern CMOS technology, IEEE TRANS. Advanced Packaging, Vol. 22, No. 3, August 1999.

3. Mu, Z., Power delivery system: sufficiency, efficiency, and stability, IEEE International Symp. ISQED, March 2008.

4. Chua, L. and Lin, P., Computer aided analysis of electronic circuits: algorithms and computational techniques, Prentice-Hall, 1971.

5. Mu, Z., Simulation and modeling of power and ground planes in high speed PCB designs, IEEE International Symp. Circuits and Systems, May 2001.

6. Wetmore, P., Wang, B., and Chua, F., Simulation of ground bounce in multilayer packages and PCBs, EPEP1998, Oct. 1998.

7. Davidson, E. E., Electrical design of a high speed computer package, IBM J. RES. Develop. Vol. 26 No. 3, May 1982.

НОВОСТИ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ | УТВЕРЖДЕН ЕДИНЫЙ СТАНДАРТ БЕСПРОВОДНЫХ ЗАРЯДНЫХ УСТРОЙСТВ | Ассоциация Wireless Power Consortium (WPC) утвердила единый стандарт беспроводных зарядных устройств под названием Qi. Создание единого стандарта позволит увеличить количество ежегодно выпускаемых устройств со 100 тыс. до 100 млн. При этом WPC рассчитывает, что уже к 2014 г. рынок беспроводных «зарядок» вырастет в 70 раз. Как сообщил председатель ассоциации Менно Треферс (Menno Trefers), разработка единого стандарта заняла полтора года. Первый продукт получил сертификацию по стандарту уже спустя месяц после его выхода». О намерении выпустить соответствующие стандарту «зарядки» уже заявили компании Energizer и Sanyo. Так, Energizer представил устройство Inductive Charger. Оно поступит в продажу осенью 2010 г., с его помощью можно будет заряжать чехлы со встроенными аккумуляторами для смартфонов iPhone и BlackBerry. В свою очередь Sanyo анонсировала выпуск аккумуляторов, которые будут поддерживать беспроводную зарядку. О поддержке Qi заявили ведущие производители мобильных телефонов, в том числе Nokia и RIM. В ассоциацию WPC входят более 55 компаний, занимающихся производством мобильных телефонов, портативной электроники и зарядных устройств. В дальнейшие планы ассоциации, которая была основана в 2008 г., входит разработка стандарта для более крупных устройств — ноутбуков и планшетных компьютеров.

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

14

www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU

Конфигурация среды Eclipse/GCC для разработки программ STM32 ВЛАДИМИР БРОДИН, CЕРГЕЙ ЧЕРНОВ, компания «Терраэлектроника» Это первая из статей, описывающих технологию разработки и отладки прикладных программ для микроконтроллеров семейства STM32 с ядром Cortex-M3 в среде Eclipse/GCC. Тестирующие программы многоцелевых модулей TE-STM32F103 и TE-STM32F107 компании «Терраэлектроника» служат в качестве примеров. В статье описаны средства среды программирования Eclipse/GCC и процесс ее установки, как предварительный этап работы с программами представленных модулей. Семейство микроконтроллеров STM32 компании STMicroelectronics, основанное на ядре Cortex-M3, появилось на рынке в 2007 г. Современная микроэлектронная технология сделала 32-разрядные микроконтроллеры (МК) с ядром Cortex-M3 сопоставимыми по цене с 16- и даже 8-разрядными МК. При этом максимальная тактовая частота микроконтроллеров STM32 составляет 72 МГц, а производительность по тесту Dhrystone — 1,25 DMIPS/MГц. Показатель энергопотребления ядра Cortex-M3 составляет 0,19 мВт/МГц, таким образом, эти микроконтроллеры не только производительны, но и экономичны. Архитектура Cortex-M3 устанавливает новый стандарт качества среди 32-разрядных МК, а невысокая цена позволяет рекомендовать их разработчикам для перехода с 8- и 16-разрядных микросхем на 32-разрядные. В настоящее время МК с ядром Cortex-M3 выпускают несколько ведущих мировых производителей: Atmel (семейство AT91SAM3), NXP (семейства LPC1300 и LPC1700), STMicroelectronics (семейство STM32), Texas Instruments (семейство Stellaris). Тем не менее, семейство STM32 компании STMicroelectronics является в настоящее время самым многочисленным и структурно развитым. Оно состоит из 5 линеек: – STM32F100 Value Line. Микроконтроллеры имеют максимальную тактовую частоту 24 МГц, флэш-память программ до 128 Кбайт, ОЗУ до 8 Кбайт, 12-разрядные АЦП (1) и ЦАП (2), интерфейсы UART (3), I2C (2), SPI (2). При цене, меньшей, чем у некоторых 8-разрядных МК, эти микроконтроллеры целесообразны для их замены в перспективных разработках; – STM32F101 Access Line. Максимальная тактовая частота 36 МГц, флэш-память программ до 1 Мбайт, ОЗУ до 80 Кбайт, 12-разрядные АЦП (1) и ЦАП (2), интерфейсы UART (5), I2C (2), SPI (3), параллельный интерфейс LCD. Эта линейка уже допускает подключение небольшого дисплея; – STM32F102 USB Access Line. Максимальная тактовая частота 48 МГц, флэш-память программ до 128 Кбайт, ОЗУ до 16 Кбайт, 12-разрядный АЦП, кроме интерфейсов UART (3), I2C (2) и SPI (2) еще имеется USB-device 2.0 Full Speed; – STM32F103 Performance Line. Максимальная тактовая частота 72 МГц, флэш-память программ до 1 Мб, ОЗУ до 96 Кбайт, 12-разрядные АЦП (3) и ЦАП (2), интерфейсы UART (5), I2C (2), SPI (3), USB-device 2.0 FS, CAN, SDIO, параллельный интерфейс LCD. Это наиболее мощная по параметрам ядра и набору интерфейсов линейка; – STM32F105/107 Connectivity Line. Максимальная тактовая частота 72 МГц, флэш-память программ до 256 Кбайт, ОЗУ до 64 Кбайт, 12-разрядные АЦП (2) и ЦАП (2), интерфейсы UART (5), I2C (2), SPI (3), USB-device 2.0 FS, CAN (2), Ethernet (в STM32F107). Это микроконтроллеры с расширенными коммуникационными возможностями. Конфигурации CPU, памяти и интерфейсов в разных линейках отличаются в зависимости от их ориентации на

выполнение определенных задач. Например, в старших моделях микроконтроллеров линейки Performance Line есть модуль SDIO — контроллер SD-карты, а в линейке Connectivity Line с широким набором интерфейсов этого контроллера нет. Таким образом, встраиваемые модули для различных приложений должны быть реализованы на разных моделях микроконтроллеров. По этой причине компания «Терраэлектроника» выпускает в настоящее время два типа многоцелевых модулей на микроконтроллерах STM32. Модуль TE-STM32F103 реализован на МК STM32F103RET6, который в корпусе LQFP64 объединяет процессорное ядро с максимальной тактовой частотой 72 МГц, 512 Кбайт флэш-памяти программ, 64 Кбайт ОЗУ и обширный набор периферийных устройств, среди которых 12-разрядные АЦП и ЦАП. Преимуществом модуля TE-STM32F103 является обслуживание слота карты памяти microSD с использованием блока микроконтроллера SDIO, который обеспечивает 4-разрядный интерфейс, увеличивающий скорость обмена. TE-STM32F103 позиционируется компанией «Терраэлектроника», как универсальный бюджетный встраиваемый модуль, который может, в том числе, служить учебно-демонстрационным средством для освоения 32-разрядных МК. Модуль TE-STM32F107 реализован на МК STM32F107VCT6, который относится к линейке Connectivity Line семейства STM32. При общих для семейства технологических нормах и степени интеграции чипа акцент сделан в сторону увеличения набора коммуникационных интерфейсов. Процессорное ядро то же, флэш-память программ уменьшена до 256 Кбайт, зато в набор интерфейсов входят порты Ehternet, USB OTG, два порта CAN. TE-STM32F107 позиционируется компанией «Терраэлектроника», как универсальный встраиваемый модуль с расширенным набором коммуникационных интерфейсов. Кроме того, этот модуль рекомендуется как управляющий для работы в тандеме с дисплейными модулями TE-ULCD35/56. В компании «Терраэлектроника» комплекс мероприятий по сопровождению производства и эксплуатации многоцелевых модулей включает разработку тестирующих программ для каждого из них. Тестирующие программы проверяют основные функциональные узлы модулей: центральный процессор, блоки обработки сигналов (АЦП), основные интерфейсы (SD-card, USB, CAN, Ethernet). Исходные тексты этих программ доступны разработчикам и могут служить основой при создании собственного программного обеспечения. В настоящее время основная часть тестирующих программ разрабатывается в виде проектов для среды Eclipse/GCC, поскольку это дает возможность работать с ними, используя бюджетный набор инструментальных средств. Известные производители системного программного обеспечения, компании IAR Systems, Keil и ряд других,

Электронные компоненты №8 2010

15

модули TE-STM32F103/107 и их тестирующие программы. Работа с бюджетными средствами Eclipse/GCC при отладке микроконтроллерных систем требует знания всех подробностей процесса, поэтому в качестве первого этапа разработки выполним установку и настройку набора программных средств Eclipse/GCC для обработки проектов на языке Cи МК семейства STM32. При отладке предполагаем использование бюджетного схемного эмулятора ARMUSB-OCD компании Olimex. Схема взаимодействия IDE с отладочными средствами имеет вид, изображенный на рисунке 1.

CОСТАВ И УСТАНОВКА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ

Рис 1. Схема взаимодействия IDE с отладочными средствами

Рис. 2. Номера установленных версий компонентов

Рис .3. Номер версии JRE

Рис. 4. Workspace — директория для хранения проекта

16

предлагают на рынке свои продукты, которые позволяют разрабатывать прикладные программы (firmware) для микроконтроллеров ARM и Cortex-M3. Однако, стоимость сертифицированных средств достаточно велика. Кроме того, схемные эмуляторы, необходимые для комплексной отладки аппаратуры и программ, часто ориентированы на использование с определенной средой (IAR — J-Link, Keil — ULink2) и тоже недешевы. Применение сертифицированных инструментальных средств необходимо в тех предметных областях, где предъявляются особые требования к надежности прикладных программ. В качестве альтернативы дорогостоящему фирменному инструментарию сообщество разработчиков создало широкий набор бесплатно распространяемых программных средств, которые доступны всем на условиях некоммерческого использования. К таким средствам относится среда (IDE — Integrated Development Environment) Eclipse, первоначально развивавшаяся компанией IBM, а затем переданная в свободное пользование. Интегрированные среды (оболочки) обычно обеспечивают многооконный интерфейс пользователя, а также имеют в своем составе редактор текста с синтаксической подсветкой. Трансляция проекта выполняется с использованием подключаемого компилятора, для микроконтроллеров это часто компилятор языка Cи из состава GCC (GNU Compiler Collection). Рассмотрим процесс создания и отладки прикладных программ для микроконтроллеров Cortex-M3, используя

WWW.ELCP.RU

Разработка и отладка проектов для МК семейства STM32 требует установки следующих средств на компьютере под управлением OC Windows: – среды выполнения приложений Java — Java Runtime Environment (JRE); – интегрированной среды разработки Eclipse IDE for C/ C++ Developers; – пакета инструментов командной строки и JTAG сервера OpenOCD; – драйвера схемного эмулятора Olimex ARM-USB-OCD. Существует много альтернативных пакетов GNU Tools для ARM-процессоров и микроконтроллеров. Здесь рассматривается пакет KGP, который удобен тем, что в него включены не только компилятор (GCC), утилиты работы с бинарными файлами (Binutils) и libc-библиотека, но и отладчик (GDB), утилиты rm, sh, make из среды MinGW, а также GDB сервер OpenOCD. Таким образом, пакет KGP позволяет быстро начать процесс разработки. Пакет KGP доступен на сайте в виде архива формата 7z. Для установки пакета требуется распаковать архив, скопировать его в удобную директорию и добавить к переменной PATH путь к директории root/bin пакета, где root — имя директории установки пакета. После этого инструменты командной строки должны стать доступными для использования. Проверить это можно командами: arm-kgp-eabi-ld -v arm-kgp-eabi-gcc -v arm-kgp-eabi-gdb -v openocd -v make -v Если все в порядке, то в ответ будут выведены номера установленных версий компонентов (см. рис. 2). Установка драйвера для эмулятора Olimex ARM-USBOCD ничем не отличается от установки драйверов для большинства USB-устройств — при первом подключении устройства операционная система сообщит о попытке добавления нового устройства и попросит указать расположение драйверов, которые заблаговременно имеет смысл распаковать в любую временную папку. Среда выполнения приложений Java (JRE) для Windows поставляется как установочный пакет, который после скачивания необходимо запустить. Для проверки доступности JRE необходимо в командной строке ввести команду java–version. Если среда JRE правильно установлена, то в ответ будет возвращен номер версии JRE (см. рис. 3). Среда Eclipse IDE for C/C++ Developers (далее IDE) также хранится в виде архива. Установка состоит в его распаковке и записи содержимого в удобную директорию. После этого (при успешной установке JRE) среда готова к запуску из директории установки командой eclipse.exe. При запуске IDE выдается запрос на место расположения Workspace — директории, в которой будут храниться проекты (см. рис. 4).

Рис. 5. Меню Debug Configuration

Рис. 6. Окно создания проекта

Рис. 7. IDE создает пустой проект

Рис. 8. Окно Make Targets

Следующим шагом является настройка среды Eclipse для разработки прикладных программ для МК. Для этого необходимо поставить плагины, позволяющие выполнять отладку МК через JTAG. Вызвав меню Help->Install new software необходимо поставить плагин Eclipse GDB Hardware Debugging Plug-in. В версии IDE из архива на сайте этот плагин уже установлен. Если плагин установлен правильно, то IDE позволяет добавить конфигурацию отладки через JTAG — GDB Hardware Debugging, которую можно настроить, вызвав меню Debug Configuration (см. рис. 5) СОЗДАНИЕ/ИМПОРТ ПРОЕКТА

Создание проекта (см. рис. 6) начинается последовательностью File->New->Project. В окнах нужно выбрать С Project/Makefile project/Empty Project. После указания имени проекта и нажатия кнопки Finish, IDE создаст пустой проект (см. рис. 7). Далее нужно добавить дерево исходных файлов и Makefile в директорию проекта, и тогда с ним можно работать. Все действия, которые требуются при разработке, должны быть отражены в виде make-целей и зависимостей. IDE позволяет выполнить любую команду по достижению той или иной цели. Данная функциональность отражена в окне Make Targets (см. рис. 8). Если это окно не видно, то его можно отобразить с помощью команды меню Windows->Show View->Othter, необходимо выбрать Make Targets. Имея доступ к этому окну, можно добавить команды для выполнения целей проекта (см. рис. 9 а, б).

IDE поддерживает импорт существующего проекта. Для импорта проекта тестирования модуля TE-STM32F103 в окне Project Explorer (см. рис. 10) нажатием правой кнопки мыши нужно вызвать меню Import. Далее выбрать Exist Projects into Workspace, после нажатия Next и указания пути к импортируемому проекту IDE скопирует проект в

а)

б)

Рис. 9. а, б Команды для выполнения целей проекта

17

Рис. 10. Окно Project Explorer

Workspace. В окне Project Explore должно появиться дерево файлов проекта. КОНФИГУРАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ОТЛАДКИ

Перед работой с проектом нужно установить параметры отладки. Вначале нужно настроить IDE для работы с OpenOCD (см. рис. 11). После выбора External Tools Configuration откроется диалоговое окно настройки внешних программ (см. рис. 12). Используя это окно, нужно

Электронные компоненты №8 2010

Рис. 11. Окно для работы с OpenOCD

Рис. 13. Меню «1 stm32ret6»

Рис. 12. Диалоговое окно настройки внешних программ

Рис. 14. Ответ системы в случае правильного набора команд

добавить новую внешнюю программу и заполнить вкладки. Основной вкладкой в данном случае является Main, она позволяет определить имя файла внешней программы, указать рабочую директорию и аргументы командной строки. В данном случае в качестве аргумента указывается

Рис .15. Отображение запущенного процесса в окне Debug

18

Рис. 16. Выбор Debug Configuration в окне открытого проекта

WWW.ELCP.RU

внешняя по отношению к проекту директория с файлами конфигурации OpenOCD при работе с STM32 и сам файл конфигурации OpenOCD. Вкладка Common обеспечивает настройку вывода лога OpenOCD в одно из окон IDE, а также быстрый вызов OpenOCD из меню. После настройки взаимодействия IDE с OpenOCD, необходимо проверить работоспособность конфигурации. Подключите к компьютеру модуль TE-STM32F103 через эмулятор, соединив их кабелем JTAG. Сделайте проект активным и вызовите из меню OpenOCD (на рисунке 13 меню «1 stm32ret6»). В случае успеха ответ будет выглядеть примерно так, как показано на рисунке 14. Кроме того, IDE добавляет отображение запущенного процесса в окно Debug (см. рис. 15).

OpenOCD подключился к эмулятору, произвел инициализацию его и TAP-контроллера процессора целевой платы, готов к работе. Далее нужно настроить GDB. Для этого необходимо открыть текущий проект и настроить конфигурацию отладки (все действия по конфигурации всегда выполняются по отношению к открытому и выбранному проекту). После выбора Debug Configuration (см. рис. 16) откроется окно диалога конфигурации отладки (см. рис. 17 а, б) Сначала необходимо добавить конфигурацию в раздел дерева меню GDB Hardware Debugging, затем дать ему имя и настроить вкладки. В поле GDB Command необходимо указать используемый отладчик. Остальные поля рекомендуется оставить, как на рисунках 17 а, б. Ниже приведена вкладка Startup. Самым важным полем является Initialization Command. Необходимо отметить, что инициализация связи GDB c эмулятором происходит исключительно под управлением команд скрипта. Любые другие элементы вкладки должны быть неактивны, если только вы сами целенаправленно не желаете воспользоваться встроенными автоматическими возможностями IDE по взаимодействию с GDB.

а)

б)

Рис. 17 а, б Окно диалога конфигурации отладки

Скрипт инициализации (для конфигурации запись+отладка) имеет вид: set debug xml — поддержка описаний и карт памяти на XML; target remote localhost:3333 — соединение с сервером OpenOCD по TCP/IP; monitor halt — останов отлаживаемого устройства; monitor flash probe 0 — проверка флэш-памяти; monitor stm32x mass_erase 0 — стирание флэш-памяти; monitor flash write_image out/image.bin — запись программы во флэшпамять; monitor reset halt — сброс и останов отлаживаемого устройства; monitor soft_reset_halt — программный сброс и останов; thbreak main — установка точки прерывания; continue — запуск исполнения программы.

20

Разумно также иметь конфигурацию типа сброс+отладка, которая позволит выполнить рестарт и начать отладку без записи во флэш-память микроконтроллера. В этом случае в скрипте отсутствуют команды стирания флэшпамяти и записи в нее кода (см. рис. 18). Вкладка Common (см. рис. 19) позволяет добавить конфигурацию в быстрое меню. После проведенных настроек набор инструментальных программных средств Eclipse/GCC со схемным эмулятором ARM-USB-OCD можно считать подготовленным к созданию проекта, записи кода во флэш-память МК и отладке с аппаратурой. Установочные файлы всех перечисленных средств доступны на сайте компании «Терраэлектроника» в разделе описания модулей TE-STM32F103 и TE-STM32F107, а также на компакт-дисках из комплектов поставки этих модулей. В следующей статье мы рассмотрим состав библиотек компании STMicroelectronics для микроконтроллеров STM32, технологию разработки и отладки прикладных программ в среде Eclipse/GCC.

Рис. 18. Окно Debug Configuration без команд стирания флэш-памяти и записи в нее кода

Рис. 19. Вкладка Common позволяет добавить конфигурацию в быстрое меню

НОВОСТИ ГЛОНАСС | НАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА ГЛОНАСС-GPS БУДЕТ ВСТРАИВАТЬСЯ В АВТОМОБИЛИ LADA | В рамках Московского Международного Автосалона АвтоВАЗ представил первую в России серийно производимую комплектацию автомобилей со спутниковой навигационной системой ГЛОНАСС/GPS. Автомобили LADA Priora и LADA Kalina с такой системой будут производиться с первого квартала 2011 г. ОАО «АвтоВАЗ» планирует обеспечивать пользователям бесплатное обновление навигационной системы и навигационных карт в течение трех лет с момента продажи автомобилей. Обновление карт может быть произведено владельцем автомобиля самостоятельно (подключением к комбинации приборов ноутбука через USB-интерфейс) или в центре технического обслуживания авторизованного дилера производителя. В представленной ОАО «АвтоВАЗ» встраиваемой навигационной системе используется цветной экран высокого разрешения, на который помимо навигационной информации выводятся основные параметры работы автомобиля и данные встроенного маршрутного компьютера. Управление навигационной системой, переключение между различными режимами работы осуществляется правым подрулевым переключателем. Ввод адреса осуществляется тем же переключателем с помощью перемещения курсора по кнопкам на экранной клавиатуре. www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ХВАН-БОН КУ, Fairchild Semiconductor Как правило, в импульсных источниках питания (ИИП), работающих на высоких частотах, применяются малогабаритные пассивные компоненты, что приводит к росту коммутационных потерь в жестком режиме переключения. Чтобы снизить коммутационные потери при работе на высоких частотах переключения, были разработаны специальные методы мягкого переключения. Среди них самыми распространенными являются резонансные методы и методы переключения по нулевому напряжению. понимания, анализа и проектирования, чем резонансные методы. Благодаря простой конфигурации и характеристикам переключения по нулевому напряжению (ZVS), асимметричные полумостовые ШИМпреобразователи стали одними из самых популярных схем, основанных на методе переключения по нулевому напряжению. Пульсации выходного тока в них становятся настолько малы по сравнению с такими резонансными топологиями как LLCпреобразователи, что с ними легко справляется подобранный соответствующим образом выходной конденсатор. Простота анализа и разработки, а также выходная катушка индуктивности позволяют широко применять ШИМ-преобразователи в устройствах с большим током нагрузки и низким выходным напряжением, например в блоках питания для персональных компьютеров и серверах. Для работы с большими токами нагрузки во вторичной цепи часто используется синхронный выпрямитель, поскольку при этом потери проводимости становятся омическими, а не потерями на p-nпереходах. Намного проще создать драйвер для синхронного выпрями-

теля асимметричного полумостового ШИМ-преобразователя, чем разработать LLC-преобразователь. Кроме того, при работе с большими токами нагрузки для повышения эффективности использования основного трансформатора часто применяется удвоитель тока. В этой статье рассмотрены основные характеристики асимметричных полумостовых ШИМ-преобразователей с удвоителем тока и синхронным выпрямителем. Приводятся также экспериментальные результаты, полученные для ассиметрично-регулируемых топологий, в которых используются силовые ключи. ПРЕИМУЩЕСТВА АСИММЕТРИЧНЫХ ПОЛУМОСТОВЫХ ШИМПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С УДВОИТЕЛЕМ ТОКА И СИНХРОННЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЕМ

Удвоитель тока широко используется в устройствах с низким выходным напряжением и большим током нагрузки. На рисунке 1 показана схема асимметричного полумостового ШИМ-преобразователя с удвоителем тока во вторичной цепи. Вторичная обмотка отводов не имеет, в то время

21 И С Т О Ч Н И К И П И ТА Н И Я

Резонансные методы используют характерные особенности резонанса в конденсаторах и катушках индуктивности на протяжении всего периода переключения, что приводит к тому, что частота переключения начинает меняться в зависимости от входного напряжения и тока нагрузки. Изменение частоты переключения, т.е. частотно-импульсная модуляция (PFM), затрудняет разработку ИИП, в составе которых имеются входные фильтры. Поскольку в фильтрах нет выходной катушки индуктивности, напряжение на выходных выпрямительных диодах не дает выбросов, что позволяет разработчикам выбирать низковольтные диоды. Однако при увеличении выходного тока отсутствие выходной катушки индуктивности приводит к повышению нагрузки на выходные конденсаторы, поэтому резонансные методы не подходят для схем с большими токами нагрузки и низкими выходными напряжениями. С другой стороны, методы переключения по нулевому напряжению используют резонансные явления, возникающие между паразитными компонентами схем во время включения/выключения силовых ключей, т.е. в течение переходных процессов. Использование паразитных компонентов, например индуктивности рассеяния (leakage inductance) основного трансформатора и выходной емкости ключей, является одним из основных достоинств таких методов, поскольку они не требуют дополнительных внешних компонентов для реализации мягкого переключения. Кроме того, эти методы основаны на широтно-импульсной модуляции (ШИМ), поэтому схемы работают с фиксированной частотой переключения. Следовательно, реализованные на данном принципе системы проще для

Рис. 1. Асимметричный полумостовой ШИМ-преобразователь с удвоителем токач

Электронные компоненты №8 2010

как выходные катушки индуктивности представлены двумя небольшими катушками. Для повышения общей эффективности устройства используются синхронные выпрямители на МОП-транзисторах (SR) с низким R DS(ON). Удвоитель тока имеет следующий ряд преимуществ над обычными выпрямителями с отводом от средней точки. Во-первых, постоянная составляющая тока намагничивания в них меньше или равна аналогичной составляющей в случае применения выпрямителя с отводом от средней точки, что позволяет использовать трансформатор с меньшим сердечником. Когда каждая из выходных катушек индуктивности берет на себя половину тока нагрузки, величина тока намагничивания трансформатора остается такой же, что и при использовании выпрямителя с отводом от средней точки. Ток намагничивания снижается, если выходные катушки индуктивности загружены неравномерно. Во-вторых, среднеквадратическое (RMS) значение тока во вторичной

обмотке меньше, чем при использовании выпрямителей с отводом от средней точки, поскольку через каждую выходную катушку индуктивности течет только половина тока нагрузки. Это дает возможность при одном и том же самом сердечнике и сечении провода использовать во вторичной обмотке низкую плотность тока. В-третьих, обмотка сама по себе гораздо легче, чем обмотка выпрямителя с отводом от средней точки. Это довольно существенно, особенно для устройств с несколькими выходами, что связано с ограничением количества обмоток трансформатора. В-четвертых, сигналы на затворы транзисторов SR поступают напрямую с выходов катушек индуктивности. Поскольку выходные катушки индуктивности содержат достаточно большое количество витков, в отличие от вторичной обмотки трансформатора, состоящей всего из нескольких витков, с их выходов можно легко снять напряжение в диапазоне 10…20 В для подачи на затворы транзисторов.

Т Е О Р И Я И П РА К Т И К А

22

Рис. 2. Анализ работы рассматриваемого преобразователя

WWW.ELCP.RU

Кроме того, разделение выходных катушек индуктивности позволяет сэкономить на стоимости больших сердечников. Благодаря перечисленным достоинствам преобразователи с удвоителями напряжения стали одной из самых популярных топологий для устройств с большим выходным током. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПРЕДЛАГАЕМОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Рассмотрим рисунок 2 с режима 2, при котором происходит передача мощности в нагрузку. Поскольку в этом режиме транзистор S1 включен, на первичную обмотку трансформатора подается напряжение (Vin — VCb). Увеличение тока намагничивания im происходит со скоростью нарастания (V in — VCb)/Lm. Поскольку транзистор SR 2 выключен, скорость нарастания тока через LО1 зависит от напряжения, которое определяется путем вычитания напряжения на выходном конденсаторе VO из (V in — VCb)/n. С другой стороны, ток через LO2, свободно про-

текающий через SR1, уменьшается со скоростью VO/LO2. В то время как две выходные катушки индуктивности делят ток нагрузки между собой, через транзистор SR1 течет весь ток нагрузки. Вторичная обмотка трансформатора поддерживает только ток i LO1, поэтому в первичной обмотке трансформатора появляется индуцированный ток iLO1/n, накладывающийся на ток намагничивания, сумма которых составляет ток в первичной обмотке ipri. На самом деле, из-за индуктивных утечек V T2 несколько ниже, чем показано на рисунке 2. Однако этот факт не рассматривается для упрощения анализа. Когда S1 выключается, начинается режим 3 — режим восстановления. Поскольку выходная емкость транзистора S2 разряжается, напряжение V T1 уменьшается. И, в конце концов, когда напряжение на выходной емкости транзистора S2 становится равным VCb, напряжение V T1 обращается в нуль. В это время открывается диод транзистора SR 2, поскольку на нем устраняется напряжение обратного смещения. Затем в этом режиме одновременно включаются оба транзистора SR s. Диод транзистора S2 открывается после того, как выходная емкость транзистора S2 полностью разрядится, а емкость транзистора S1 полностью зарядится. После того как оба транзистора SR включатся, через катушки начинают течь токи iLO1 и iLO2, а их скорости нарастания, соответственно, оказываются равными VO/LO1 и VO/LO2, а напряжения vT1 и vT2 становятся равными нулю. Это приводит к быстрой смене полярности тока в первичной обмотке, поскольку напряжение V Cb теперь прикладывается только к индуктивности рассеяния.

Условия переключения по нулевому напряжению (ZVS) для транзистора S2 достигаются вслед за открытием диода транзистора S2, после чего транзистор S2 включается. УРАВНЕНИЯ И РАСЧЕТЫ

Продолжительность равна:

2 (1)

Режим 4, еще один режим передачи мощности, начинается по окончании переключений между транзисторами SR. Приложенное напряжение к первичной обмотке трансформатора равняется VCb, ток намагничивания уменьшается со скоростью VCb/Lm, а скорость нарастания iLO2 равна (VCb/n — VO)/LO2. Ток другой катушки индуктивности отводится через транзистор SR2. Как видно из рисунка 2, больших пульсаций токов через выходные катушки удается избежать благодаря сдвигу фаз между ними. Поэтому в удвоителе тока могут быть использованы две меньшие катушки индуктивности по сравнению с мостовыми выпрямителями или выпрямителями с отводом от средней точки. После выключения транзистора S2 начинается очередной режим восстановления — режим 1. Принцип его работы практически тот же, что и у режима 3, за исключением ZVSусловий. В режиме 1 напряжение V T1 обращается в нуль в момент, когда напряжение на выходной емкости транзистора S1 становится равным Vin — VCb. До этого момента ток нагрузки, протекающий через катушку индуктивности LO2, индуцируется в первичную обмотку трансформатора, что помогает достичь условий переключения ZVS.

Т Е О Р И Я И П РА К Т И К А

24

Рис. 3. Пример разработки блока питания для ПК мощностью 360 Вт (12 В, 30 А)

WWW.ELCP.RU

режима

И, наоборот, начиная с этого момента, накопленная в индуктивности рассеяния энергия должна идти только на заряд и разряд выходной емкости ключей. Поскольку Vin — VCb, как правило, больше, чем VCb, достичь ZVS-условий для транзистора S1 гораздо труднее, чем для S2. Другие моменты можно проанализировать таким же образом, как и в режиме 3. Продолжительность режима 1 определяется следующим образом: (2)

При помощи уравнений (1) и (2) можно рассчитать выходное напряжение: (3)

где VSR — напряжение на МОПтранзисторе в режимах передачи мощности в нагрузку Постоянную и переменную (пульсирующую) составляющие im можно описать следующими выражениями: (4)

(5) где ILO1 и ILO2 — постоянные составляющие токов выходных катушек индуктивности. ПРИМЕР СХЕМЫ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

В этом разделе мы рассмотрим пример разработки блока питания персонального компьютера с выходным

25

Электронные компоненты №8 2010

Рис. 4. Напряжение на затворе транзистора S1, напряжения в первичной и вторичной обмотках основного трансформатора и ток в первичной цепи

Рис. 5. Токи в выходных катушках индуктивности и токи через транзисторы SR

а)

напряжением 12 В и током нагрузки 30 А. Поскольку входной сигнал, как правило, приходит со схемы коррекции коэффициента мощности (ККМ), диапазон входных напряжений не очень широк. Разрабатываемое устройство имеет следующие характеристики: – номинальное входное напряжение: 390 В постоянного тока; – диапазон входного напряжения: 370 ~ 410 В постоянного тока; – выходное напряжение: 12 В; – выходной ток: 30 А; – частота переключений: 100 кГц. На рисунке 3 показана схема, соответствующая данным требованиям. Электрические особенности трансформатора описаны в таблице 1. На рисунках 4 и 5 показаны экспериментальные данные, полученные при работе преобразователя при номинальном входном напряжении и полной выходной мощности. На рисунке 4 показаны: напряжение на затворе транзистора S1, напряжения в первичной и вторичной обмотках основного трансформатора и ток в первичной цепи. Следует отметить, что эти данные хорошо согласуется с теоретическим анализом — это касается и ZVS-условий переключений. На рисунке 5 показаны токи в выходных катушках индуктивности и токи через транзисторы SR. Токи через выходные катушки индуктивности несбалансированы, что связано с коэффициентом заполнения и наличием паразитных компонентов. Это означает, что усредненный ток намагничивания в данном случае будет всегда меньше, чем в выпрямителях с отводом от средней точки [1]. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

На рисунке 6 показаны ZVSпереключения при различных условиях нагрузки. При этом отображены напряжения на стоке и на затворе нижнего ключа при разных мощностях нагрузки (20 и 30%).

б) Рис. 6. ZVS-переключения: a) 30% нагрузки; б) 20% нагрузки

Т Е О Р И Я И П РА К Т И К А

26

Рис. 7. Измеренная эффективность Таблица 1. Электрические характеристики основного трансформатора Выводы Индуктивность намагничивания Индуктивность рассеяния

WWW.ELCP.RU

1, 8 1, 8

Спецификация 600 мкГн (обычно) (600 мкГн ± 5%) 20 мкГн ± 10%

Примечание 100 кГц, 1 В Все остальные выводы открыты 100 кГц, 1 В Все остальные выводы замкнуты

ЛИТЕРАТУРА 1. Hong Mao, Songquan Deng, Yangyang wen, and Issa Batarseh, «Unified steady-state model and DC analysis of half-bridge DC-DC converters with current doubler rectifier,» APEC ‘04. Nineteenth Annual IEEE, Vol. 2, 2004, pp. 786—791.

2. Yu-Chieh Hung, Fu-San Shyu, Chih Jung Lin, and Yen-Shin Lai, «Design and implementation of symmetrical half-bridge DC-DC converter», The Fifth International Conference on PEDS 2003. Vol. 1, Nov. 2003 pp. 338—342.

3. Y. Panov and M.M. Jovanovic, «Design and performance evaluation of low-voltage/ high-current DC/DC on-board modules,» IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 16, Issue 1, Jan. 2001 pp. 26—33.

27

Электронные компоненты №8 2010

РАСЧЕТ ЦЕПИ ПОГЛОЩЕНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ВЫБРОСА ДЛЯ ОБРАТНОХОДОВОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ПОЛ ЛЭЙСИ (PAUL LACEY), инженер по применению, Power Integrations Inc. В статье представлен расчет эффективных цепей защиты MOSFETключа в обратноходовых источниках питания.

AC/DC источники питания мощностью до 100 Вт обычно строятся по обратноходовой топологии. Такое решение сравнительно недорогое и позволяет строить многоканальные источники питания на одном контроллере. Это сделало обратноходовые источники питания самыми популярными среди разработчиков и де-факто — стандартом для AC/DC-преобразователей с малым числом компонентов. Недостатком обратноходовой топологии является большая нагрузка на ключевой MOSFET. Принцип работы обратноходовой топологии: накопление энергии в трансформаторе во время открытого

состояния силового ключа и передача этой энергии на выход во время закрытого состояния ключа. Обратноходовой трансформатор состоит из двух или более связанных обмоток на сердечнике с воздушным зазором, в котором сохраняется магнитная энергия перед ее передачей во вторичную обмотку. Однако на практике невозможно достичь идеальной согласованности обмоток. Малая часть энергии из-за индукции рассеяния трансформатора не передается во вторичную обмотку. При открытии силового ключа эта энергия генерирует высоковольтный выброс на первичной обмотке трансформатора и ключа. Это также приво-

дит к высокочастотным помехам между эффективными эквивалентными емкостями открытого ключа и первичной обмотки трансформатора и индукцией рассеяния трансформатора (см. рис.1). Если амплитуда высоковольтного выброса превышает напряжение пробоя ключевого элемента, которым обычно является силовой MOSFETтранзистор, то это может вызвать разрушение ключа. Более того, помехи коммутации высокой амплитуды на стоке ключа вызывает повышение ЭМИ до существенного уровня. В источниках питания мощностью более 2 Вт для ограничения выбросов напряжения на ключе используется цепь поглощения высоковольтного выброса (ЦПВВ). КАК РАБОТАЕТ ЦЕПЬ ПОГЛОЩЕНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ВЫБРОСА

Т Е О Р И Я И П РА К Т И К А

28

Рис. 1. Переходные процессы при коммутации, вызванные индукцией рассеяния на стоке ключа

Рис. 2. Типы цепей поглощения высоковольтного выброса

WWW.ELCP.RU

ЦПВВ используется для ограничения максимального напряжения на силовом ключе до безопасного уровня. Как только напряжение на ключе достигает порогового уровня, остальная часть энергии перенаправляется в ЦПВВ, где она запасается, медленно рассеивается или отправляется обратно в силовую часть. Недостатком ЦПВВ является то, что она потребляет часть мощности и снижает общий КПД. Существует несколько различных типов ЦПВВ (см. рис. 2). Некоторые из них используют стабилитроны для снижения потребляемой мощности, но увеличивают уровень ЭМИ. Цепь RCD обеспечивает хороший баланс между КПД, уровнем ЭМИ и стоимостью, что делает ее наиболее используемой. Цепь поглощения высоковольтного выброса RCD работает следующим образом: как только силовой MOSFET-ключ закрывается, диод во вторичной обмотке остается закрытым, и ток магнетизации заряжает емкость стока (см. рис. 3 а). Как только напряжение на первичной обмотке достигнет уровня выходного отраженного напряжения (Vor), определяемого

29

Электронные компоненты №8 2010

коэффициентом соотношения обмоток трансформатора, диод во вторичной обмотке откроется, и энергия магнетизации перейдет во вторичную обмотку. Энергия рассеяния продолжает заряжать трансформатор и емкость стока до тех пор, пока напряжение на первичной обмотке не сравняется с напряжением на конденсаторе ЦПВВ (см. рис. 3 б). При этом блокировочный диод обеспечивает передачу энергии рассеяния в конденсатор ЦПВВ (см. рис. 4а). Ток, протекший через конденсатор, ограничивает пиковое напряжение на стоке на уровне VIN(MAX) + VC(MAX). После того, как энергия рассеяния полностью передана,

блокировочный диод запирается, и конденсатор ЦПВВ разряжается через резистор ЦПВВ до следующего цикла. Иногда последовательно с блокировочным диодом включается небольшой резистор. Его функция — подавление «звона» между индуктивностью трансформатора и конденсатором ЦПВВ в конце цикла зарядки. Полный цикл обеспечивает пульсацию напряжения на ЦПВВ амплитудой Vdelta, которая контролируется номиналами резистора и конденсатора (см. рис. 5). Работа ЦПВВ типа RCDZ идентична работе RCD, за исключением того, что в цепи присутствует стабилитрон, включенный последовательно резистору

а)

30 Т Е О Р И Я И П РА К Т И К А

б) Рис. 3a (вверху) и 3б (внизу). ЦПВВ на первичной стороне

а) Рис. 4а (слева) и 4б (справа). Работа ЦПВВ

WWW.ELCP.RU

(см. рис. 2). Он предотвращает разряд конденсатора ниже обратного напряжения стабилитрона. Это ограничивает рассеивание мощности и увеличивает общую энергетическую эффективность. Обычно используется на низких нагрузках. ЦПВВ типа ZD обеспечивает принудительное ограничение напряжения на стоке путем параллельного включения цепи стабилитрона. Аналогично RCD работает и ЦПВВ RCD+Z. Отличием является то, что в нее добавлен стабилитрон для обеспечения принудительного ограничения напряжения на стоке при переходных процессах, а также подавления электромагнитных искажений, генерируемых цепью RCD. При расчете ЦПВВ необходимо принимать во внимание характеристики как трансформатора, так и MOSFETключа. Если минимальное напряжение ограничения меньше Vor трансформатора, то ЦПВВ будет работать как нагрузка, потребляя больше, чем энергия рассеяния, что отрицательно скажется на общем КПД. Если компоненты ЦПВВ недостаточно мощны, они могут перегреваться и не обеспечивать необходимую защиту ключа, а также генерировать дополнительные ЭМИ. Но главное, ЦПВВ должна защищать MOSFET-ключ при любых входных напряжениях, токе нагрузки и допуске компонентов. Руководство по расчету ЦПВВ (PI-DG101), опубликованное компанией Power Integrations, Inc. (www.powerint.com), обеспечивает пошаговую процедуру расчета компонентов для каждой из четырех основных ЦПВВ обратноходового источника питания. Руководство предназначено для использования с ПО PI ExpertTM. Это интерактивная программа, которая использует пользовательскую спецификацию на источник питания и определяет критические компоненты (включая моточные изделия), необходимые для проектирования рабочего источника питания. Программа PI Expert также способна автоматически рассчитать ЦПВВ, однако он будет приближен больше к классической схеме, чем при использовании руководства по расчету ЦПВВ (в формулах: clamp).

б)

РАСЧЕТ ЦПВВ ТИПА RCD

Рис. 5. Напряжение на ЦПВВ RCD

10. Рассчитайте номинал резистора ЦПВВ, как: .

11. Мощность резистора ЦПВВ должна быть больше, чем:

. (Замечание: рекомендуется запас в 50 В для BVDSS MOSFET-ключа, и еще 30…50 В запаса для учета переходных напряжений) 5. Определите напряжение пульсации на ЦПВВ Vdelta.

6. Рассчитайте минимальное напряжение на ЦПВВ, как: .

7. Рассчитайте среднее напряжение на ЦПВВ Vclamp как: .

8. Рассчитайте энергию, запасенную в реактивной индуктивности, как: .

9. Оцените энергию, рассеиваемую в ЦПВВ Eclamp, как:

.

12. Рассчитайте номинал конденсатора ЦПВВ, как: .

13. Номинальное напряжение конденсатора ЦПВВ должно быть больше, чем 1,5Vmaxclamp.

14. В качестве блокировочного диода ЦПВВ должен быть использован диод класса fast или ultra-fast.

15. Пиковое обратное напряжение на диоде ЦПВВ должно быть больше, чем 1,5Vmaxclamp .

16. Прямой пиковый повторяющийся ток блокировочного диода должен быть больше чем IP. Если данный параметр не указан в спецификации на диод, средний прямой ток должен быть больше, чем 0,5IP. 17. Выберите номинал демпфирующего резистора (если он используется) как: .

18. Мощность демпфирующего резистора должна быть больше, чем:

. После расчета дизайна необходимо собрать прототип источника питания для проверки его характеристик, т.к. индукция рассеяния трансформатора значительно варьируется в зависимости от техники намотки. В частности, необходимо измерить среднее напряжение Vclamp и сравнить его значение с расчетным на этапе 7 (см. рис. 5). Любое существенное отклонение может быть скорректировано путем подстройки номинала Rclamp. Если результат сильно отличается от ожидаемого, необходимо сделать еще одну расчетную итерацию. Аналогичные процедуры должны быть выполнены для всех компонентов ЦПВВ. Особое внимание необходимо уделить стабилитрону и диоду, их номинальная мощность не должна быть превышена. Мощностной потенциал компонентов проверяется путем измерения температуры каждого компонента при работе источника питания на полную нагрузку при минимально допустимом входном напряжении. Температура каждого компонента сверяется с допустимой температурой в спецификации. Если она превышена, цепь необходимо пересчитать с использованием более мощных компонентов. Используя рекомендации руководства по расчету ЦПВВ, вы сможете получить оптимизированный и эффективный дизайн цепи поглощения высоковольтного выброса для обратноходового источника питания. Перевод Геннадий Бандура.

Электронные компоненты №8 2010

31 И С Т О Ч Н И К И П И ТА Н И Я

Ниже описаны основные этапы расчета цепи поглощения высоковольтного выброса.

1. Измерьте индукцию рассеяния первичной обмотки вашего трансформатора, LL. 2. Проверьте рабочую частоту вашего дизайна, fs.

3. Определите верный ток первичной обмотки, IP, по схеме: – если ваш дизайн использует программируемое ограничение мощности, IP = ILIMITEXT; – если ваш дизайн использует внешнее регулируемое ограничение по току, IP = ILIMITEXT; – д ля ос тальных дизайнов, IP = ILIMITMAX. 4. Определите максимальное допустимое напряжение на MOSFET-ключе, и рассчитайте Vmaxclamp как:

ЦИФРОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ ИСТОЧНИКАМИ ПИТАНИЯ: ОПРАВДАНИЕ НАДЕЖД ЛИ КОХ (LEE KOH), менеджер по сбыту, Microchip Technology В статье на примере двухкаскадного источника питания сравниваются особенности применения аналогового и цифрового управления для импульсных источников питания. Рассмотрены преимущества цифрового управления с помощью цифровых сигнальных контроллеров, которые позволяют снизить стоимость системы и гибко реализовать широкий набор функций управления. Статья представляет собой перевод [1]. Управление импульсными источниками питания традиционно осуществлялось чисто аналоговыми схемами. Появление недорогих высококачественных цифровых сигнальных контроллеров обеспечило оптимальный способ реализации преимуществ цифровых источников питания в следующих областях: – уменьшение стоимости используемых компонентов по сравнению с аналоговыми источниками питания; – гибкость управления, в том числе возможность управления усовершенствованными топологиями; – реализация дополнительных функций без повышения стоимости. СНИЖЕНИЕ СЕБЕСТОИМОСТИ ЦИФРОВЫХ БЛОКОВ ПИТАНИЯ

На рисунке 1 приведена блокдиаграмма типового двухкаскадного аналогового AC/DC-источника питания. Важнейшими функциональными блоками этого источника питания являются:

– силовая цепь: полупроводниковые ключи, катушки индуктивности, конденсаторы и силовые трансформаторы; – схемы управления силовым ключом: драйверы затвора и схемы поддержки; – цепь обратной связи: датчики, усилители и цепь резисторов; – блок управления: специальные контроллеры для каждого силового каскада; – вспомогательные цепи: специальный микроконтроллер и схемы поддержки для управления последовательностью подключения выходов, мониторинга и обеспечения коммуникации. В целях сравнения в данной статье рассматривается двухкаскадный источник питания. Входной преобразователь представляет собой повышающую схему с коррекцией коэффициента мощности, а второй каскад — это полномостовой DC/DC-преобразователь со сдвигом фазы.

Некоторые из функциональных блоков, например, силовая цепь, драйвер и цепь обратной связи, по существу, идентичны в аналоговом и цифровом источниках питания. На рисунке 2 показана блок-схема соответствующего цифрового источника питания. В цифровой версии источника питания функции обоих специализированных аналоговых контроллеров и вспомогательного микроконтроллера могут быть совмещены в одном цифровом сигнальном контроллере dsPIC. Рисунки 1 и 2 отражают главные отличия данных источников питания на высоком уровне топологии, однако, следует также рассмотреть все вспомогательные схемы поддержки. Для каждого каскада аналогового источника питания обычно требуется вспомогательная схема питания, схема бланкирования переднего фронта (leading-edge blanking), генератор, схема управления последовательностью, схема мягкого старта, а также

И С Т О Ч Н И К И П И ТА Н И Я

32

Рис. 1. Основные функциональные блоки импульсного источника питания с аналоговым управлением

WWW.ELCP.RU

Рис. 2. В источнике питания с цифровым управлением программные средства заменяют аппаратные блоки ряда ключевых функций

И С Т О Ч Н И К И П И ТА Н И Я

34

Рис. 3. Управление силовой цепью и вспомогательными функциями в цифровом источнике питания выполняется на одном контроллере

Эти методы позволяют увеличить эффективность путем использования усовершенствованных топологий, таких как резонансные и квазирезонансные преобразователи. Цифровое управление полностью поддерживает такие топологии, включая схемы полномостового преобразователя со сдвигом фазы и резонансного преобразователя, и позволяет достичь весьма высокой эффективности и плотности мощности. В результате, цифровое управление обеспечивает широкие возможности для оптимизации эффективности источников питания в полном диапазоне условий эксплуатации.

схемы компенсации, соединенные с центральным контроллером. В цифровом варианте источника питания все же требуется аппаратная реализация схемы вспомогательного источника питания, но каждая из перечисленных выше функций выполняется программно на центральном контроллере. В этом случае не только уменьшается количество требуемых компонентов, но также существенно сокращается число проводников на печатной плате. При выборе используемых компонентов следует учитывать стоимость элементов этой схемы, сложность топологии и размеры платы. Для некоторых схем могут (при аналоговой реализации) потребоваться всего несколько пассивных компонентов, в то время как другие компоненты могут иметь более высокую стоимость (например, отдельный микроконтроллер для выполнения вспомогательных функций). Существует мнение, что цифровое решение требует использования специальных драйверов затворов полевых транзисторов, в то время как аналоговое решение может использовать драйверы затвора на кристалле. Несмотря на то, что это верно для маломощных схем, большинство аналоговых схем большой мощности все же требуют использования внешних драйверов затвора. Детальное сравнение стоимости используемых элементов показывает, что общая сумма затрат на компоненты для цифрового источника питания будет значительно ниже по сравнению с аналогичной по параметрам аналоговой схемой. Простое суммирование стоимости компонентов — это только часть вопроса: существует много сопутствующих факторов экономии, которые определяются тем, что цифровой источник питания предполагает более простую топологию и меньший размер печатной платы, сниженную стоимость изготовления и сборки, а также улучшенное качество и надежность.

В типовом аналоговом источнике питания функции управления питанием осуществляются с помощью вспомогательного микроконтроллера (см. рис. 3). Этот микроконтроллер передает локальные системные параметры на главный контроллер или регистратор данных: он использует вспомогательные схемы считывания для сбора необходимых данных и затем ретранслирует их. В некоторых случаях удаленная система может также пересылать команды для управления работой локальных преобразователей питания. Эта конфигурация требует дополнительных аппаратных интерфейсов между вспомогательным микроконтроллером и цепями преобразования питания, что увеличивает стоимость и сложность системы. Цифровой источник питания устраняет необходимость дополнительных цепей, т.к. все системные параметры уже измерены цифровым сигнальным контроллером. Эти параметры могут храниться в памяти цифрового сигнального контроллера и передаваться в удаленную систему, используя встроенную коммуникационную периферию, например, с помощью интерфейсов SPI, I2C, UART или CAN. Любая модификация режимов работы системы может также быть выполнена с помощью простой программной процедуры без дополнительных аппаратных средств. Цифровой источник питания также снижает общую стоимость системы благодаря исключению лишних цепей. В примере двухкаскадного AC/DC-источника питания первый каскад измеряет выходное напряжение, необходимое для работы управляющей цепи. Поскольку это напряжение является входным для второго каскада, те же данные используются вторым каскадом либо для осуществления управления с прямой связью, либо для схемы защиты от понижения/повышения напряжения питания. Один цифровой сигнальный контроллер позволяет исключить лишние

WWW.ELCP.RU

ОПТИМИЗАЦИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Постоянное совершенствование характеристик силовых транзисторов и использование новых топологий позволили существенно улучшить эффективность источников питания. Однако достигнутые максимальные значения КПД чаще всего относятся только к определенным оговоренным заранее условиям эксплуатации (пиковая эффективность может быть определена при половинной нагрузке или для максимального напряжения в сети). Цифровые источники питания обеспечивают дополнительную гибкость для оптимизации эффективности во многих рабочих точках. Для повышающего преобразователя с коррекцией коэффициента мощности потери на переключение могут быть снижены при более высокой нагрузке благодаря снижению частоты переключения преобразователя. При более низкой нагрузке магнитные элементы будут иметь удовлетворительные характеристики при более низкой частоте переключения. При реализации схемы преобразователя с коррекцией коэффициента мощности с чередованием фаз при малой нагрузке одна фаза может быть отключена. Аналогично и для полномостового преобразователя со сдвигом фазы чрезмерные потери на переключение при малой нагрузке можно уменьшить с помощью отключения синхронных MOSFET и используя вместо этого внутреннего (паразитного) диода полевой транзистор. Другой пример можно встретить в приложении с понижающим преобразователем. Обычно для высоких выходных токов предпочтительны синхронные понижающие преобразователи. Однако использование синхронных MOSFET приводит к появлению блуждающих токов при низкой нагрузке, что, в свою очередь, вызывает более высокие потери. Следовательно, синхронный MOSFET с антипараллельным диодом в понижающем преобразователе можно заблокировать, когда преобразователь работает в режиме пульсирующего тока.

УПРАВЛЕНИЕ ПИТАНИЕМ

МЯГКИЙ СТАРТ И УПРАВЛЕНИЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬЮ

Когда источник питания запускается в первый раз, различные элементы, такие как конденсаторы и катушки индуктивности, могут содержать накопленную энергию. Чтобы избежать сильных переходных процессов по току и напряжению и соответствующей нагрузки на компоненты системы, во всех каскадах источника питания реализованы цепи мягкого старта. Многие (но не все) аналоговые контроллеры обеспечивают встроенные функции мягкого старта. Аналоговые контроллеры имеют ограниченные возможности в выборе длительности мягкого старта и задержки включения с помощью дополнительных схем. В многокаскадных источниках питания имеется также необходимость задания предварительно определенной последовательности включения выходов, т.к. состояние некоторых выходов может зависеть от других выходов. Это можно осуществить с помощью отдельного чипа задания последовательности или с помощью вспомогательного микроконтроллера с дополнительной схемой. Цифровой источник питания устраняет необходимость в дополнительных аппаратных средствах, т.к. все процедуры, связанные с заданием последовательности и мягким стартом, использующие различные алгоритмы, могут быть реализованы как часть программного обеспечения для управления источником питания. Для каждого каскада источника питания может быть реализована программа мягкого старта с возможностью конфигурирования длительности и задержки. Например, для цифрового сигнального контроллера dsPIC процедура мягкого старта в программе управления вызывается немедленно после инициализации контроллера. Вначале вызывается задержка включения, а затем опорное напряжение на выходе устанавливается равным измеренному значению выходного напряжения. Опорная величина напряжения затем увеличивается на фиксированное значение до тех пор, пока окончательно не достигнет желаемого уровня. В этой точке процедура мягкого старта заканчивается и начинается цикл нормальной работы системы. Цифровой контроллер допускает весьма гибкое использование этой процедуры мягкого старта. Эта же процедура может быть вызвана в любой момент с различными параметрами. Например, если система пытается осуществить повторный запуск после того, как произошел сбой, задержка включения и длительность мягкого старта может быть скорректирована.

С помощью аналогового метода этот уровень шума трудно отфильтровать от сигнала токовой обратной связи без искажения формы сигнала. Для точной работы управляющей цепи и схемы защиты от превышения тока желательно сохранить форму сигнала. По этой причине часто используют метод, который называется бланкирование переднего фронта сигнала (Leading-edge blanking — LEB), при котором контроллер «не замечает» импульсных помех на сигнале обратной связи, связанных с фронтом переключения сигнала ШИМ. Для аналогового контроллера этот метод требует использования схемы аппаратного бланкирования, которая блокирует реакцию сигнала (или «гасит» сигнал) обратной связи в течение фиксированного времени. Обычно это время определяется транзисторным ключом, который управляется драйвером затвора мощного MOSFET с помощью RC-линии задержки. Задержка гарантирует, что измерительная цепь не «видит» первые мгновения каждого цикла проводимости. В контроллерах dsPIC33F серии GS бланкирование переднего фронта является стандартной функцией, а задержка бланкирования устанавливается программно. Функция бланкирования переднего фронта может быть включена или отключена в любое время, и пользователь может выбирать, какой фронт ШИМ следует бланкировать. АДАПТИВНОЕ И НЕЛИНЕЙНОЕ УПРАВЛЕНИЕ

Цифровые контроллеры позволяют изменять режим работы источников питания во время их функционирования. Эта особенность отрывает широкие возможности для новых решений и обеспечивает конкурентные преимущества перед другими продуктами. Одной из возможностей для адаптивного управления является использование нескольких наборов коэффициентов цепи управления. Поскольку характеристики системы меняются при разных условиях в сети или в нагрузке, такие коэффициенты могут быть модифицированы в процессе работы для того, чтобы достичь наилучших параметров в каждой рабочей точке. Предположим, что система рассчитана на работу при температуре до 50ºC, однако, по некоторой причине температура окружающей среды вышла за эти пределы. В этом случае можно скорректировать программное обеспечение, чтобы уменьшить установленные предельные значения тока. Такое решение может помочь безопасно расширить рабочий диапазон системы, хотя и с некоторыми дополнительными оговорками. Появление цифрового сигнального контроллера dsPIC33F серии GS позволило реализовать все преимущества цифрового управления источниками питания, что открыло новые перспективы для новых решений в области источников питания. ЛИТЕРАТУРА 1. Digital power supply control: delivering the promises.

35 И С Т О Ч Н И К И П И ТА Н И Я

измерения и предоставляет все средства для выполнения различных функций управления и защиты. Цифровой сигнальный контроллер также помогает системе реагировать на отказ намного быстрее и более эффективно, чем с использованием дискретных аналоговых контроллеров. Например, если происходит отказ в выходном преобразователе двухкаскадного аналогового AC/DC-источника питания, то входной повышающий преобразователь с коррекцией коэффициента мощности не будет знать об этом отказе, если это не связано с самим этим преобразователем. Цифровой контроллер способен детектировать условия отказа в целой системе и может, следовательно, почти немедленно реагировать на неисправность, независимо от того, где она произошла.

БЛАНКИРОВАНИЕ ПЕРЕДНЕГО ФРОНТА

Сигналы обратной связи по току для большинства силовых преобразователей должны быть отфильтрованы для исключения влияния помех на измерения и ошибочное отключение схем ограничения тока и защиты от сбоев. Более быстродействующие ключи, как правило, генерируют более высокий уровень шумов, и этот шум присутствует в сигналах обратной связи. В некоторых ситуациях импульсная помеха в момент переключения MOSFET может даже вызвать превышение максимальной предельной величины по току.

Электронные компоненты №8 2010

ЦИФРОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПИТАНИЕМ. РЕАЛЬНОСТЬ И ВЫМЫСЕЛ ПОЛЬ РАКО (PAUL RAKO), технический редактор, EDN

В статье рассмотрены методы цифрового управления питанием. На примере конкретных микросхем сравниваются аналоговые и цифровые способы регулирования питания. Приводится описание компромиссных методов — аналоговый ШИМ-регулятор с «цифровым окружением». В итоге автор приходит к выводу, что цифровые методы питания хороши лишь в некоторых приложениях, а применение их в других случаях приводит к дополнительным затратам. Статья представляет собой сокращенный перевод [1].

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время очень активно рекламируются методы цифрового управления питанием (Digital Power) — направления, которое очень медленно развивалось в течение последних десятилетий (см. рис.1). И теперь, когда некоторые из этих разработок фактически умирают, настало время определиться, где цифровые методы могут применяться, как они работают, каковы их недостатки и достоинства. Ниже приведены часто встречающиеся утверждения о цифровом управлении питанием.

– Цифровые методы могут способствовать снижению стоимости, улучшению точности и упрощению разрабатываемой системы.

– Цифровые методы идеально поддерживают выходное напряжение в заданных границах (output margining) и выполняют пошаговую (cycle-by-cycle) компенсацию контура регулирования.

– Многие схемотехники не хотят использовать в своих разработках нелинейные цепи регулирования и схемы адаптивной компенсации, или у них нет в этом потребности.

– Заявления, что цифровые методы повышают эффективность работы, часто оказываются необоснованными. Цифровые методы могут предоставлять уникальные возможности, но при этом часто приходится идти на компромисс. МЕТОДЫ ЦИФРОВОГО УПРАВЛЕНИЯ ПИТАНИЕМ

Производители дают различные определения цифровым методам управления питанием. Некоторые предлагают рассматривать их как аналоговые замкнутые ШИМ-регуляторы, окруженные цифровыми цепями. Другие считают, что это конечные автоматы со встроенным чипом циф-

И С Т О Ч Н И К И П И ТА Н И Я

36

Рис. 1. Цифровые методы управления питанием вышли на плато производительности

WWW.ELCP.RU

рового ШИМ-регулятора. Есть еще одно утверждение: цифровые методы включают цифровой сигнальный процессор (DSP) общего назначения, работающий по алгоритму, близкому к работе регуляторов с петлей обратной связи. Цифровое управление питанием, по терминологии, принятой в последнем десятилетии, состоит из цифрового замкнутого ШИМ-регулятора либо с конечным автоматом, либо с DSP. Одно лишь наличие последовательной цифровой шины в аналоговом ШИМ-регуляторе не дает возможности называть это устройство цифровым.

Texas Instruments в настоящее время выпускает несколько линеек DSP для цифрового управления питанием и предлагает библиотеки программ для них. CamSemi производит 5-Вт AC/DC-контроллер, уменьшающий число компонентов. Exar пошел по пути снижения стоимости и выпустил 16-А цифровой контроллер, позволяющий управлять несколькими силовыми каналами в групповом блоке (settop boxes) или на серверах данных. Чип компании Exar по цене может конкурировать с аналоговыми чипами других фирм. Цифровые контроллеры для блоков питания могут также проводить пошаговую компенсацию контура регулирования. Так, Zilker Labs Intersil’s group, занимающаяся разработкой цифровых контроллеров, недавно анонсировала чип ZL6105, в состав которого входит конечный автомат, выполняющий пошаговую автокомпенсацию контура регулирования (см. рис. 2). Другой пример — схема запуска Powervation, использующая цифровой контроллер ASIC для выполнения пошаговой компенсации контура регулирования источника питания

а)

б)

Рис. 2. Можно вручную настроить параметры компенсации демонстрационной платы Zilker Labs ZL6105, но при этом невозможно добиться идеальной компенсации (а). При включении режима автокомпенсации переходные процессы и стабильность работы схемы улучшаются (б)

Рис. 3. Для улучшения эффективности работы на небольших нагрузках чип цифрового контроллера Powervation способен отключать одну фазу выходного сигнала

И С Т О Ч Н И К И П И ТА Н И Я

38

(см. рис.3). Такой замкнутый контур регулирования, работающий в реальном времени, является основным достоинством цифровых методов по сравнению с аналоговыми. Цифровые контроллеры реагируют на изменение емкости электролитических конденсаторов из-за старения и высыхания. При встраивании схемы в силовой блок (power brick), цифровой контроллер проводит измерение входной и выходной емкостей и проводит их компенсацию в каждом цикле. Другие цифровые контроллеры выполняют только один цикл самокомпенсации, помогающий определиться с коэффициентами цифрового компенсационного фильтра. Цифровые контроллеры удерживают выходное напряжение в допустимом диапазоне, что обеспечивает корректное функционирование системы на протяжении всего срока службы. Для этого в тестовом режиме производится изменение выходного напряжения

WWW.ELCP.RU

блока питания во всем рабочем диапазоне значений. Например, Infineon’s Primarion group разработала чип PX7510, выполняющий операцию отслеживания выходного сигнала (margining) и другие функции при помощи шины PMBus. НАЗОЙЛИВОЕ РЕКЛАМИРОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ МЕТОДОВ

Продвижение цифровых методов управления питанием началось с появлением нечеткой логики (fuzzy logic). Тогда думали, что она позволит отказаться от применения аналоговых регуляторов. Но оказалось, что это верно лишь в нескольких приложениях, и даже в них практически все задачи можно решить с помощью аналогового ПИД-регулятора. Некоторые маркетологи заявляют, что цифровое регулирование способно выполнять адаптивную компенсацию, основанную на измерении длительно-

сти переходных процессов и величины шумов, по значениям которых подбираются соответствующие параметры системы. Цель адаптивной компенсации — построение быстродействующего регулятора. Powervation успешно справилась с этой задачей, но это потребовало серьезных вычислительных мощностей. Разработчики цифровых контроллеров заявляют о необыкновенных возможностях нелинейных контуров регулирования, утверждая, что такие контуры позволяют отказаться от необходимости включения анализатора цепей. Однако нелинейные цифровые контуры не обеспечивают получения требуемых АЧХ и ФЧХ. Поэтому производители предлагают разработчикам оценивать стабильность схемы во временной области, для чего им приходится включать параметры переходных процессов в расчеты контура регулирования, добиваясь при этом того, чтобы паразитные колебания затухали в приемлемом временном интервале. Однако опытные разработчики регуляторов избегают применять нелинейное регулирование, предпочитая использовать привычные цепи. Некоторые компании объявляют, что их цифровые контроллеры для многофазных блоков питания способны поддерживать более точный сдвиг фаз между выходными каналами. Для аналоговых блоков питания фазовое рассогласование 30% считается недопустимым, но недобросовестные разработчики запускают цифровые контроллеры с такими показателями в производство. Производители заявляют, что цифровые контроллеры более эффективны по сравнению с аналоговыми вариантами, но и это утверждение не выдержало проверки. Только в многофазном режиме способность цифровых контроллеров к отключению фаз приводит к увеличению эффективности. Такой подход обеспечивает получение хорошей эффективности при малых нагрузках, однако цифровой ШИМ-контур регулирования не принимает никакого участия в этом процессе. Любой аналоговый чип способен выполнять эту функцию. Основные источники потерь в импульсных блоках питания: магнитные потери, коммутационные потери и потери в медных проводниках. Применение цифровых контроллеров никак не может их снизить! Повышающий импульсный преобразователь (buck-boost-converter) LTM4609 компании Linear Technology продемонстрировал 98% эффективность, превышающую показатели практически всех цифровых чипов.

Существует еще одно утверждение, что цифровые чипы обеспечивают лучшее управление временем запаздывания регулятора. Другими словами, они могут выполнять синхронное переключение силовых транзисторов, что приводит к отсутствию сквозных токов. Однако Linear Technology имеет патент на аналоговый метод, обеспечивающий отсутствие сквозных токов. А National Semiconductor, Allegro, и Fairchild используют в своих разработках метод квазирезонансного переключения (valley-mode control), позволяющий добиться того же эффекта. НЕИЗБЕЖНЫЙ КОМПРОМИСС

И С Т О Ч Н И К И П И ТА Н И Я

40

В реальности не имеет значения, какой контур регулирования у чипа: аналоговый или цифровой. Пользователям стоит беспокоиться только о том, какова цена компромисса при выборе цифрового регулирования. Например, цифровые контроллеры потребляют больший ток в состоянии покоя. Хотя DSP Texas Instruments отличаются высоким кпд и хорошим быстродействием, они потребляют больше энергии, чем чипы конечных автоматов, и намного больше, чем аналоговые чипы. ШИМ-контроллер, работающий в дискретном режиме, всегда в состоянии покоя потребляет больше тока, чем маломощный аналоговый собрат. По этой причине Summit Microelectronics и другие компании стали выпускать аналоговые блоки с цифровым управлением. Такой подход применяется в портативной электронике, где аналоговые ШИМ-регуляторы окружаются цифровыми цепями управления и коммуникаций. Этот метод используют в устройствах, работающих от аккумуляторов, поскольку в таких устройствах нельзя применить быстродействующие АЦП/ЦАП и DSP, потребляющие миллиамперы в состоянии покоя. Следует еще отметить, что поскольку DSP должен загружаться в начальный момент работы, то даже после короткого аппаратного сбоя может произойти потеря управления питанием до тех пор, пока DSP снова не будет загружен. Ну и, конечно же, алгоритм работы DSP должен быть четко определен. Потому что, если разрабатываемая система имеет много контуров регулирования и много прерываний, часть из которых не обслуживается программой цифрового контроллера, то такую систему нельзя назвать полностью замкнутой. Некоторые компании используют аналоговые схемы, позволяющие снизить количество компонентов системы.

Power Integrations разработала недорогую автономно работающую аналоговую схему, не требующую применения

WWW.ELCP.RU

оптопары, а Linear Technology изготовила LTC4278 и другие аналоговые компоненты, использующие вместо оптопары чувствительную обмотку, обеспечивающую формирование напряжения в цепи обратной связи. В таком случае не надо заботиться о том, какой тип ШИМконтура регулирования (цифровой или аналоговый) применен в микросхеме, поскольку любой из этих контуров способен обеспечить точную регулировку выходного сигнала без помощи оптопары. Производители стремятся любым способом снизить стоимость цифровых чипов, чтобы они могли конкурировать по цене с аналоговыми вариантами. Компания Exar разработала конкурентный цифровой контроллер XRP7740 с уменьшенными размерами ШИМ-контура регулирования. Однако набор фотошаблонов для изготовления таких чипов настолько дорог, что компании, торгующие ими, часто не получают особой прибыли, даже совершая продажу партии в несколько миллионов микросхем. Производителям цифровых чипов всегда приходится искать компромисс между низкой ценой чипа и высокой стоимостью изготовления набора фотошаблонов с малыми характеристическими размерами, поэтому они заинтересованы только в крупномасштабных производствах. Часто бывает, что выгоднее организовать менее дорогой CMOSпроцесс с большими характеристическими размерами. И, наконец, стоит отметить, что многие чипы источников питания должны вырабатывать высокие выходные напряжения, что нельзя обеспечить, используя характеристические размеры, применяемые сегодня в CMOSтехнологии, поэтому в таких приложениях могут применяться только биполярные аналоговые чипы. Цифровые методы подходят для приложений, требующих пошаговой компенсации, но и тут многие предпочитают применять простые и надежные аналоговые схемы, обеспечивающие адекватную компенсацию в большинстве случаев. Чипы, проводящие автокомпенсацию, могут оказаться весьма актуальными для компаний, выпускающих источники питания для работы с неизвестной входной и выходной емкостью, но разработчики чаще всего проектируют силовые источники под конкретные задачи. Хотя очень заманчиво проводить одноразовую подстройку схемы для компенсации цифровой части контроллера, но следует помнить, что аналоговые схемы вовсе не требуют вычисления коэффициентов цифрового фильтра. В случае аналоговых чипов пользователям надо только подстраи-

вать конденсатор и резистор в компенсационной цепи для получения требуемого отклика контура регулировки. Следует отметить, что изменение контура регулирования с целью проведения компенсации в реальном масштабе времени, не является прерогативой только цифровых контроллеров.

Linear Technology производит микросхему LT4180, реагирующую на изменение выходного импеданса источника питания. Аналоговые микросхемы также способны удерживать выходное напряжение в заданных границах (margining). К примеру, микросхема Maxim MAX16064 отслеживает работу четырех аналоговых импульсных конвертеров, а чип Linear Technology LTC2978 контролирует работу восьми аналоговых преобразователей. Таким образом, цифровые методы управления питанием актуальны только для некоторых приложений, а в других их применение бессмысленно. Это не имеет никого значения для схемотехников, которым все равно, как производители полупроводниковых чипов будут решать свои проблемы. Разработчиков систем волнует только работоспособность чипа и выполнение им заданных функций. Для схемотехников важны: цена, надежность и перечень технических характеристик. Пусть профессоры и разработчики микросхем спорят о преимуществах и недостатках аналоговых и цифровых контроллеров. Пользователям нужны чипы, способные выполнять функции, необходимые для решения реальных задач. Если этого нет, то нет смысла переплачивать за цифровые контроллеры, даже если сказано, что они новые и усовершенствованные. ЛИТЕРАТУРА 1. Digital power, without the hype// www.edn.com/article/457675-Digital_power_ without_the_hype.php 2. White Robert V. Embedded Power Labs.

Digital power: after the hype//Applied Power Electronics Conference and Exhibition, Feb 22, 2010.

3. Rako Paul. A unique, low-cost approach to power-supply design//EDN Global Innovators, Nov 13, 2008, p. 24.

4. Rako Paul. Quad-PWM-controller IC includes low-dropout linear regulator//EDN, Dec 15, 2009, p. 12.

5. Pease Bob. What’s All This Fuzzy Logic Stuff, Anyhow? (Part V)//Electronic Design, Nov 20, 2000.

6. Rako Paul. Integration in the other direction//EDN, Jan 21, 2010, p. 24.

7. Rako Paul. Quad power-convertercontrol chip uses PMBus//EDN, Dec 3, 2009, p. 11.

8. Rako Paul Octal power-converter-control chip uses PMBus//EDN, Oct 8, 2009, p. 7.

41

Электронные компоненты №8 2010

ВЫБОР ЕМКОСТНОГО ФИЛЬТРА ДЛЯ ТРЕХФАЗНЫХ МОСТОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ АЛЕКСАНДР СОКОЛОВ, powerelectronics.com В статье рассмотрена очень важная проблема — определение параметров входного фильтра инверторов. Значимость проблемы обусловлена строгостью стандартов, определяющих требования к качеству напряжения питающей сети. Приведены практические рекомендации по выбору параметров фильтра. Статья является сокращенным переводом [1].

И С Т О Ч Н И К И П И ТА Н И Я

42

Почти во всех импульсных источниках питания мощностью от нескольких киловатт и выше применяются трехфазные мостовые выпрямители. Обычно они состоят из шестидиодной мостовой схемы и емкостного фильтра для фильтрации пульсаций выходного напряжения. Емкостной фильтр влияет на коэффициент мощности, входные нелинейные искажения и пульсации выходного напряжения. По требованиям Европейского Стандарта IEC 61000 3 12 величина THD для входного тока не должна превышать 48% в диапазоне среднеквадратичного (RMS) значения входного тока 16…75 А на фазу. Для менее мощных устройств — до 16 А на фазу. Европейский Стандарт IEC 61000 3 2 установил еще более строгий лимит по THD входного тока — 33,8%. Оба значения относятся к токам, протекающим по входным силовым проводам питающей сети, форма напряжения в которых практически близка к синусоиде. Это самый сложный сценарий работы для трехфазного выпрямителя с точки зрения выполнения жестких требований по THD и коэффициенту мощности. Коэффициент мощности стандартного однофазного мостового выпрямителя, работающего на резистивную нагрузку, без емкостного фильтра составляет 100%, при этом THD = 0. В трехфазном мостовом выпрямителе при тех же условиях коэффициент мощности уже 95%, а THD = 30%. Выходной емкостной фильтр снижает

Рис. 1. Типовая схема силового инвертора

WWW.ELCP.RU

коэффициент мощности и увеличивает THD. К сожалению, импульсные источники питания не могут работать без емкостного фильтра. Это необходимое условие, как для эффективного преобразования энергии, так и для снижения кондуктивного излучения на иловой линии. На рисунке 1 показан фрагмент схемы типового мощного инвертора, состоящего из EMI-фильтра, трехфазного мостового выпрямителя и мостового инвертора на IGBT. Выходной емкостной фильтр состоит из конденсаторов С1, С2, С3, С4 и С5, соединенных параллельно. C3 и C4 являются демпфирующими конденсаторами, встроенными в IGBT-модуль. Их задача — предохранять IGBT-модуль от опасных выбросов напряжения во время выключения IGBT. Их емкость обычно составляет около 2 мкФ, они имеют очень низкую ESL (ESL — эквивалентная последовательная индуктивность) и могут работать при высоких номинальных RMS-значениях пульсирующего тока. Конденсаторы C2 и C5 представляют собой накопители энергии для преобразования мощности. Через них проходит значительный пульсирующий ток дважды за период переключения. Форма этого тока схожа с формой тока инвертора, а его амплитуда практически равна абсолютному значению тока инвертора. Отсюда следует, что суммарное значение емкостей С2 и С5 должно быть достаточно большим для предотвращения возник-

новения больших высокочастотных пульсаций выходного напряжения. Дополнительно к этому, они должны выдерживать очень высокие RMSзначения пульсирующего тока. С другой стороны, необходимость использования больших значений С2 и С5 ведет к снижению коэффициента мощности и неприемлемой величине THD на входе. Дроссели L1, L2 и конденсатор С1 составляют симметричный фильтр нижних частот, подавляющий пульсации выпрямленного напряжения. Резисторы R1 и R2 уменьшают паразитные составляющие гармоник частоты переключения. Конденсатор С1, также как и конденсаторы С2 и С5, вносит свой вклад в общую выходную емкость, влияющую на величину коэффициента мощности и THD. Для определения количественного соотношения между суммарным значением коэффициента нелинейных искажений (THD) и характеристиками схемы трехфазного мостового выпрямителя введем коэффициент М, являющийся функцией от параметров емкостного фильтра и мощности инвертора. Как правило, чем ниже М, тем ниже THD, но выше высокочастотные пульсации напряжения на выходных конденсаторах. В таблице 1 приведены расчетные характеристики схемы в виде функции от М при типовой частоте переключения силового инвертора, равной 30 кГц. Из таблицы видно, что низкая частота в шесть раз больше частоты линейного напряжения, т.е. равна 300 или 360 Гц. Высокая частота равна двойной частоте переключения инвертора, т.е. 60 кГц. Оба типа пульсирующего напряжения при наложении составляют усредненное выпрямленное напряжение. Данная таблица позволяет разработчикам импульсных источников питания быстро и легко, без проведения сложных математических расчетов, выбирать соответствующие параметры схемы.

Рис. 2. Осциллограммы при М = 40000: желтый график – линейное напряжение между фазами «А» и «В», синий график – входной ток на фазе «А», красный график – выходное напряжение

Рис. 3. Осциллограммы при М = 100000: желтый график – линейное напряжение между фазами «А» и «В», синий график – входной ток на фазе «А», красный график – выходное напряжение

На рисунках 2 и 3 показаны осциллограммы рассматриваемой схемы, при линейном переменном напряжении, равном 208 В, М = 40000 (THD = 33%) и M = 100000 (THD = 48%). Фазовый спектр входного тока содержит много нечетных гармоник частоты линейного напряжения, но только 5-я, 7-я и 11-я гармоники оказывают существенное влияние на THD. Пятая гармоника вносит самый большой вклад в THD во всех трехфазных мостовых выпрямителях. Высокочастотные пульсации напряжения, связанные с работой инвертора, порождают дифференциальные электромагнитные помехи и высокое среднеквадратичное значение пульсирующего тока через выходные конденсаторы С2 и С5. Выбранные конденсаторы должны выдерживать этот ток. Высокочастотные пульсации напряжения обратно пропорциональны частоте переключения инвертора. Среднеквадратичное значение тока через выходной конденсатор не зависит от частоты переключения, но зависит от схемы используемого силового инвертора.

На входе силового инвертора, работающего совместно с трехфазным мостовым выпрямителем, из-за сложения пульсаций напряжения низкой и высокой частот возникают значительные колебания напряжения. Например, если источник питания работает от промышленной трехфазной сети 208 В ±10%, 60 Гц при максимально разрешенном THD = 48%, мгновенное выходное напряжение во время работы может варьироваться в диапазоне 220…320 В. Очевидно, что широкий диапазон выходных напряжений отрицательно сказывается на работе силового инвертора. Почти все используемые мостовые схемы инверторов не могут вырабатывать пиковое переменное напряжение выше, чем выходное. Поэтому пиковое напряжение инвертора должно быть ниже, чем минимально возможное мгновенное выходное напряжение. Это ведет к значительному увеличению пикового тока на входе и выходе инвертора, что необходимо для поддержания требуемого уровня выходной мощности, что, в свою очередь, ведет к сниже-

Таблица 1. Характеристики схемы в виде функции от М для типовой частоты переключения инвертора 30 кГц

И С Т О Ч Н И К И П И ТА Н И Я

44

Низкочастотные КоэфTHD входКоэффициент пульсации напряжения фициного тока, мощности,% в % от среднего выпрямент М % ленного напряжения 40000 95 33 ±7,2 100000 90 48 ±7,4 150000 83 66 ±7,8 200000 76 83 ±8 300000 67 108 ±7,4

Высокочастотные пульсации напряжения в % от среднего выпрямленного напряжения ±0,43 ±0,18 ±0,11 ±0,09 ±0,06

нию эффективности преобразования энергии и увеличению высокочастотных пульсаций выходного напряжения. Однако существуют две известные схемы мостовых повышающих/понижающих инверторов, лишенных этого недостатка. Первая схема — хорошо известный LLC-инвертор, а вторая — это менее известный CLC-инвертор. Оба могут создавать пиковое переменное напряжение, которое выше по амплитуде, чем входное напряжение. В CLC-инверторе более низкие потери на переключение и более низкий уровень высокочастотных электромагнитных помех, чем в LLC-инверторе. Однако он содержит дополнительные демпфирующие конденсаторы, подключенные параллельно каждому IGBT. Данные по высокочастотным пульсациям напряжения, приведенные в таблице, вычислены для LLC- или CLCинверторов. Выбранное пиковое напряжение инвертора равно усредненному выпрямленному напряжению при номинальном линейном напряжении. Это значит, что оно выше минимально возможного выходного напряжения, но ниже максимально возможного. При поиске компонентов для 25-кВт инвертора, работающего от линейного переменного напряжения 208 В, разумно выбрать следующие: 230 мкФ, 500 В для С1, С2, С5 (ECI UL30 или подобного типа); 47 мкГн, 100 А для L1, L2; 4,7 Ом, 100 Вт для R1, R2. В данном примере М = 100000 при полной выходной мощности. В этих условиях уровень кондуктивных электромагнитных помех отвечает всем промышленным международным требованиям, даже при использовании простого однокаскадного входного фильтра электромагнитных помех, показанного на рисунке 1. ЛИТЕРАТУРА 1. Selecting Filter Capacitors forThree Phase Bridge Rectifiers// http://powerelectronics. co m /p assi ve _ co m p o n e nt s _ p a cka g i n g _ interconnects/capacitors/selecting-filtercapacitors-rectifiers-201007/ 2. International Standard CEI/IEC 61000-312:2004 3. A. Sokolov. 100 kw DC/DC-converter Employs Resonant π Filter. Power Electronic Technology, Jan. 2009, p. 18–21.

СОБЫТИЯ РЫНКА | ОБРАЩЕНИЕ НАЧАЛЬНИКА ГЛАВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ВООРУЖЕНИЯ МО РФ | Организаторы «Российской недели электроники» получили обращение к участникам выставок начальника Главного управления вооружения ВС РФ генераллейтенанта О.П. Фролова. В обращении говорится, что отечественная радиоэлектронная продукция гражданского и двойного назначения должна соответствовать самым современным требованиям, в том числе, обеспечивающим информационную безопасность и технологическую независимость при ее создании. О.П. Фролов выразил надежду, что «Российская неделя электроники» позволит определить приоритеты развития отечественного радиоэлектронного комплекса, даст новый толчок к решению актуальных задач в области создания эффективных систем и комплексов управления. www.RussianElectronicsWeek.ru

WWW.ELCP.RU

БЕЗМОСТОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КОРРЕКТОРА КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ С КПД ДО 98% И КМ 0,999 СЛОБОДАН КУК (SLOBODAN CUK), президент TESLAco Запатентованный преобразователь для коррекции коэффициента мощности базируется на новом гибридном методе переключения, позволяющем отказаться от использования мостового выпрямителя. Его истинно однокаскадная структура преобразования имеет множество преимуществ перед традиционными двухкаскадными преобразователями. способных напрямую преобразовывать переменный ток в постоянный и впервые описываемых в статье. Один из представителей этого нового класса — однокаскадный AC/DC-преобразователь с ККМ — представлен на рисунке 1а. В дальнейшем будут представлены и другие варианты топологии. БЕЗМОСТОВОЙ ККМПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Описываемый безмостовой преобразователь ККМ подключается напрямую к сети переменного тока и является первым в мире действительно однокаскадным безмостовым преобразователем переменного тока в постоянный. Чтобы выполнить поставленную задачу, разработчикам пришлось использовать новый метод ключевого преобразования мощности, названный гибридно-переключающим. Этот метод влечёт за собой использование редкой и необычной топологии преобразователя, в которой используются только три ключа (см. рис. 1а): один управляемый ключ S и два пассивных токовых ключа CR1 и CR2, выполненных на основе диодов. Пассивные ключи переключаются как в зависимости от состояния ключа S, так и от полярности входного напряжения.

Нечётное число ключей является отличительной особенностью данной топологии в отличие от всех остальных, где используется чётное количество ключевых элементов — два, четыре, шесть и т.д. Чётное количество ключей обусловлено использованием для коммутации прямоугольных импульсов с переменной скважностью (т.н. широтно-импульсная модуляция, ШИМ) и индуктивных и емкостных накопителей энергии, что требует комплементарности ключей: если один ключ пары включён, другой должен находиться в выключенном состоянии. В рассматриваемой топологии такой комплементарности нет, т.к. оба диодных ключа управляются двумя параметрами — состоянием ключа S и полярностью входного напряжения. Например, при положительной полуволне на входе схемы диод CR1 проводит ток при включённом ключе S, а при отрицательной полуволне — при выключенном. Для ключа CR2 последовательность обратная: при положительной полуволне он проводит ток при выключенном S, а при отрицательной — при включённом. Следовательно, все три ключа работают всё время — при отрицательных и положительных полупериодах входного напряжения. В результате вся схема

Рис. 1. Безмостовой преобразователь для ККМ, питаемый напрямую от линии переменного тока

Электронные компоненты №8 2010

45 И С Т О Ч Н И К И П И ТА Н И Я

Современная версия стандарта IEC1000-3-2 налагает жёсткие ограничения на уровень гармоник в сети электропитания, которые могут возбуждаться любыми пользовательскими электроустройствами с мощностью более 75 Вт. Чтобы соблюсти эти требования, необходимо использовать активный корректор коэффициента мощности (ККМ). Типичная конструкция такого корректора, основанная на повышающем преобразователе, требует использования на входе диодного мостового выпрямителя. Такое построение ККМ существенно ухудшает общий КПД, т.к. в цепь питания на любой полуволне включаются последовательно два диода. При низком напряжении в сети (например, 85 В — нижнем пределе напряжения в американском 110-В стандарте) это даёт потери только на выпрямителе до 3%, а с учётом потерь в преобразователе приводит к тому, что общий КПД ККМ падает до 93% и даже ниже. Данное обстоятельство стало очевидным стимулом к разработке преобразователя, который позволил бы избавиться от необходимости использования мостового выпрямителя. Однако предыдущие попытки создания такого преобразователя успеха не имели, что заставило всех поверить, что такую топологию преобразователя создать невозможно. В результате большинство статей, рассматривающих ККМ на основе повышающих преобразователей, сдвоенных повышающих преобразователей или других топологий просто не рассматривают первичный мостовой выпрямитель, неявно считая его неотъемлемой частью ККМ, избавиться от которой невозможно. Однако эти соображения неверны для нового класса преобразователей,

функционирует без входного выпрямителя, т.к. данная топология преобразователя действует и в качестве выпрямителя переменного напряжения на входе, а потери на диодах входного моста исключаются. Как видно из рисунка 1а, конструкция преобразователя содержит последовательно включённый входной дроссель, проходной накопительный конденсатор, работающий как часть резонансного контура в процессе преобразования, и индуктивность, служащую частью резонансного контура. Активный ключ S в первичной цепи управляется импульсами с частотой, по крайней мере, на три порядка превосходящей рабочую частоту питающей сети. Например, для сети 50/60 Гц следует использовать частоту порядка 50 кГц. Заметим, что коэффициент заполнения D, представляющий часть цикла при включенном S, определяется коэффициентом преобразования и током через входной дроссель. Переменный ток и напряжение во входной цепи измеряются и подаются на вход контроллера ККМ, который управляет ключом S таким образом, чтобы входной ток в линии был пропорционален входному напряжению, что в идеале даёт желаемый эффект в виде коэффициента мощности, равного единице (см. рис. 1б).

И С Т О Ч Н И К И П И ТА Н И Я

46

WWW.ELCP.RU

Входной ток iAC в этом случае синусоидален и свободен от высших гармоник за счёт небольшого ФНЧ на входе системы, образованного элементами Lf и Cf. Реальность несколько отличается от идеала, т.к. некоторое искажение формы входного напряжения всётаки присутствует, что будет описано в последнем разделе, где исследуется экспериментальный прототип ККМ мощностью 400 Вт, подключённый напрямую к линии с несинусоидальным сигналом, однако коэффициент мощности по-прежнему остаётся равным единице. ГИБРИДНЫЙ МЕТОД КОММУТАЦИИ

В безмостовом преобразователе используются два дросселя — ШИМдроссель L и резонансный дроссель Lr. Как показывает проведённый анализ, в гибридно-резонансном преобразователе оба дросселя подвергаются воздействию кардинально отличающихся источников возбуждения: ШИМдроссель L возбуждается близким к прямоугольному напряжением, так что балансировка магнитного потока происходит на протяжении периода коммутации TS, в то время как резонансный дроссель Lr возбуждается близким к синусоидальному напряжением пульсаций Δvr на резонансном конденсаторе Cr и полностью балансируется по магнитному потоку в течение времени

включённого состояния ключа S. Столь большое различие вызвано тем, что переменное напряжение с резонансного конденсатора подаётся на резонансный дроссель только при замкнутом ключе S, в то время как дроссель L подключён к источнику напряжения в течение всего цикла — и при включённом, и при выключенном ключе, а напряжение возбуждения определяется входным и выходным постоянными напряжениями и постоянной составляющей напряжения на резонансном конденсаторе. Следовательно, вклад резонансного дросселя намного меньше вклада ШИМ-дросселя, хотя именно наличие первого и делает возможным построение однокаскадного преобразователя. Гибридная коммутация есть, по сути, уникальная комбинация ШИМкоммутации с резонансной. ШИМдроссель работает в ШИМ-режиме в течение всего периода переключения, в то время как резонансный дроссель проявляет свои резонансные свойства только во время включения ключа S и на ШИМ-режим не влияет. В то же время резонансный конденсатор играет роль части резонансного контура в период замыкания ключа S и части ШИМ-преобразователя (совместно с ШИМ-дросселем) в период размыкания этого ключа. Следовательно, именно

АНАЛИЗ РАБОТЫ

Мы выполним только упрощённый анализ, направленный на определение коэффициентов преобразования при отрицательном и положительном входном напряжении. Более строгий анализ, основанный на использовании расширения метода усреднения по пространству состояний [2] также позволяет получить значения всех параметров по постоянному току для стационарного режима, но помимо этого даёт ещё аналитические выражения для динамических режимов (частотную характеристику преобразователя), что позволяет анализировать стабильность системы с учётом управляющих цепей. Очевидно, что форму сигнала напряжения на резонансном конденсаторе и ток в резонансном дросселе следует анализировать по отдельности. Этот анализ будет выполнен в последнем разделе, где будут приведены и соответствующие формулы, которые можно использовать при проектировании преобразователя. Известно, что метод усреднения по пространству состояний не подходит для расчета резонансных преобразователей [2] и его использование не ограничивается ШИМпреобразователями только при малых значениях переменной составляющей (когда резонансные компоненты малы по сравнению с постоянным напряжением). Однако это метод лучше всего подходит для анализа динамических характеристик описываемого класса преобразователей на основе гибридной коммутации. Сначала мы проанализируем работу преобразователя, схема которого представлена на рисунке 2а, при положительном входном напряжении, когда состояния ключей соответствуют рисунку 2б. Линейные схемы замещения для включённого и выключенного ключа S представлены, соответственно, на рисунках 2в и 2г. Для упрощения анализа предположим, что индуктивность дросселя L очень велика, так что переменная составляющая входного тока I

а)

б)

в)

г)

Рис. 2. Работа преобразователя при положительной полуволне входного напряжения: а) диод CR1 работает в фазе с ключом S и в противофазе с диодом CR2; б) состояния ключей в процессе работы; в) линейная схема замещения при замкнутом ключе S; г) линейная схема замещения при разомкнутом ключе S

а)

б)

Рис. 3. Напряжение на ШИМ-дросселе (а) и резонансном конденсаторе (б)

а)

б)

Рис. 4. а) ток резонансного дросселя и б) напряжение на резонансном конденсаторе в течение полного периода ШИМкоммутации

пренебрежимо мала по сравнению с постоянной составляющей.

VCr = 0

ВОЛЬТ-СЕКУНДНЫЙ БАЛАНС ДРОССЕЛЕЙ

В стационарном режиме магнитный поток дросселя L сбалансирован, что означает равенство площадей сверху и снизу от нулевой линии на графике рисунка 3а, отображающего напряжение на индуктивности в зависимости от времени. Следовательно, VgDTs = (V + VCr – Vg)·(1 – D)·Ts,

на резонансном конденсаторе оказывается равной нулю: (2).

КОЭФФИЦИЕНТ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ

Используя формулы (1) и (2), получаем коэффициент преобразования по постоянному току .

(3)

(1),

где Vg — входное напряжение; D — коэффициент заполнения; Ts — период коммутации в секундах, а VCr — постоянное напряжение на резонансном конденсаторе Cr. Баланс по магнитному потоку резонансного дросселя достигается, как уже говорилось, за время включённого состояния ключа S, что отражено на рисунке 3б. Следовательно, постоянная составляющая напряжения и на нём, и

Заметим, что эта формула совпадает с уравнением для хорошо известных повышающих преобразователей. Более того, наличие резонансного контура, состоящего из резонансных дросселя и конденсатора, а также близкая к синусоидальной форма напряжения на них не оказывает влияния на коэффициент преобразования, который оказывается зависящим только от коэффициента заполнения как в обычных преобразователях напряжения.

Электронные компоненты №8 2010

47 И С Т О Ч Н И К И П И ТА Н И Я

конденсатор является связующим звеном, делающим возможной такое разделение ролей между дросселями. Как уже говорилось, ещё одной ключевой особенностью данной топологии является наличие нечётного количества ключей. Заметим, что описываемый гибридный режим работы заметно отличается от режимов работы хорошо известных ключевых квазирезонансных [2], последовательных и параллельных резонансных [3], преобразователей с резонансными ключами [5], да и от любых других известных типов резонансных преобразователей.

а)

б)

в)

г)

Рис. 5. Работа преобразователя при отрицательной полуволне входного напряжения: а) диод CR2 работает в фазе с ключом S, а диод CR1 – в противофазе; б) состояния ключей в процессе работы; в) линейная схема замещения при замкнутом ключе S; г) линейная схема замещения при разомкнутом ключе S

ветствующие схемы приведены на рисунке 5. Линейная схема замещения для замкнутого ключа показана на рисунке 5в, а для разомкнутого — на рисунке 5г. Исходя из этих схем, мы можем вычислить временные формы токов в ШИМ-дросселе и резонансном дросселе. Напряжение на ШИМ-дросселе показано на рисунке 6а и имеет прямоугольную форму, как у обычных ШИМ-преобразователей. Напряжение на резонансном конденсаторе для замкнутого ключа показано на рисунке 6б, а на протяжении всего цикла коммутации — на рисунке 7б. Как и ранее, запишем уравнение баланса магнитного потока для установившегося режима ШИМ-дросселя L: VgDTs = (VCr – Vg)·(1 – D)·Ts.

а)

б)

Рис. 6. Напряжение на ШИМ-дросселе (а) и резонансном конденсаторе (б) при отрицательном входном напряжении

а)

а)

б)

48 И С Т О Ч Н И К И П И ТА Н И Я

б)

в)

Рис. 7. Ток резонансного дросселя и напряжение на резонансном конденсаторе в течение полного периода ШИМ-коммутации при отрицательном входном напряжении

Рис. 8. Модель резонирующей части схемы: а) при положительной полуволне входного напряжения; б) при отрицательной полуволне входного напряжения; в) упрощённая схема для отрицательной полуволны

Итак, данная схема может служить основой как для корректора коэффициента мощности, так и для других видов преобразователей точно так же, как и коммутаторы, построенные по другим принципам. Форма тока через резонансный конденсатор и напряжения на резонансном дросселе в течение периода коммутации показаны на рисунках 4а

и 4б, соответственно. На них видно, что в течение выключенного состоянии ключа S резонансный конденсатор линейно заряжается. Обратите внимание на непрерывность напряжения на конденсаторе во время переключения ключа из одного состояния в другое. Наконец, проанализируем работу преобразователя при отрицательном входном напряжении. Со от-

WWW.ELCP.RU

(4)

Модель резонирующей части схемы представлена на рисунке 8б. При этом в резонирующую часть входят пять компонентов: два конденсатора Cr и C, резонансный дроссель Lr, ключ S и пассивный диодный ключ CR2. Однако поскольку выходной конденсатор C, как правило, имеет намного большую ёмкость, чем резонансный конденсатор Cr, величина ёмкости их последовательного соединения практически равна ёмкости Cr. Итак, несмотря на то, что при отрицательном напряжении на входе резонансная цепь содержит два конденсатора в отличие от одного для положительного входного напряжения, в действительности резонирующая цепь может быть сведена к единой схеме, представленной на рисунке 8в. Более того, из-за автоматического срабатывания ключей CR1 и CR2 при смене знака входного напряжения эта схема применима для анализа работы схемы при замкнутом ключе S при любой полярности входного напряжения. Соответственно, форма тока резонансного дросселя и напряжения на резонансном конденсаторе практически совпадают с приведёнными ранее для положительного напряжения на входе. Магнитный поток резонансного дросселя точно так же, как и для положительного входного напряжения, должен балансироваться и в рассматриваемом случае за время включения ключа S, что приводит нас к следующему условию баланса: VCr = V,

(5)

т.к. в токе резонансного дросселя при замкнутом ключе отсутствует постоянная составляющая. Отметим, что в установившемся режиме напряжение на резонансном

,

(6)

совпадающее с выражением для положительного входного напряжения. Следовательно, изменение напряжения на резонансном конденсаторе при смене полярности входного напряжения обеспечило равенство коэффициентов преобразования. Как и в предыдущем случае, ток разряда резонансного конденсатора ir ограничивается только положительным периодом резонансного тока, т.к. ключ CR2 проводит ток только в одном направлении. И, поскольку ток резонансного контура изменяется от нулевого значения, это, как и в предыдущем случае, ограничивает интервал протекания резонансного разрядного тока точно одним полупериодом резонансной частоты. Форма тока через резонансный дроссель и напряжения на резонансном конденсаторе в течение всего периода коммутации показаны на рисунках 7а

и 7б. Заметим, что отсутствие скачков напряжения на резонансном конденсаторе приводит к идентичности напряжения пульсаций Δvr при обоих полуволнах входного переменного напряжения. Ещё раз повторим, что постоянное напряжение на резонансном конденсаторе отлично от нуля, т.к. постоянство коэффициента преобразования при обеих полярностях входного напряжения обеспечивается именно этим отличием. Итак, в новом типе преобразователя для ККМ роль переносчика энергии играет конденсатор Cr, который заряжается во время размыкания ключа S и в то же время передаёт ток заряда в нагрузку. Затем в течение интервала времени замыкания ключа этот конденсатор вместе с резонансным дросселем образует резонансный контур и обменивается запасённой ранее энергией с резонансным дросселем. Этот дроссель имеет индуктивность намного меньшую, чем ШИМ-дроссель, и в результате запасает намного меньше энергии. Тем не менее он обеспечивает изменение направления тока при переходе от разомкнутого состояния ключа S к замкнутому. Это изменение направления тока в течение очень короткого интервала времени вызывает скачки напряжения на ключе, причём, чем быстрее происходит изменение, тем

больше становятся скачки. Однако из-за того, что индуктивность (и, следовательно, запас энергии) в резонансном дросселе малы, эти скачки могут быть эффективно подавлены за счёт использования ограничителя на базе стабилитрона. АНАЛИЗ РЕЗОНАНСНОЙ ЦЕПИ

Как мы видели ранее, работа преобразователя и при положительном, и при отрицательном входном напряжении приводит к одной и той же резонансной цепи, которая может быть описана двумя дифференциальными уравнениями первого порядка. Их решениями являются следующие функции: ir(t) = Ip sin(ωt),

(7)

VCr(t) = ΔVr cos(ωt),

(8)

ΔVr = Ip RN,

(9),

где RN — сопротивление резонансной цепи, а ω — круговая частота. В состав безмостового преобразователя для ККМ входит один компонент, чья реализация имеет критически важное значение с точки зрения эффективности преобразователя, а именно, схема ключа S. Из описания работы преобразователя для положитель-

49 И С Т О Ч Н И К И П И ТА Н И Я

конденсаторе меняется от 0 В при положительном входном напряжении до выходного напряжения V при отрицательном входном напряжении. Подставив формулу (5) в (4), получаем уравнение коэффициента преобразования для отрицательного входного напряжения:

Электронные компоненты №8 2010

б)

а)

в)

Рис. 9. Варианты реализации ключа S: а) рабочие области ВАХ-ключа; б) вариант ключа с использованием IGBTтранзисторов с блокировкой обратного напряжения; в) вариант реализации ключа на последовательно включённых n-МОП транзисторах с общим управлением

соответствует идеальному соответствию формуле (3), а сплошной линией изображена реально снятая характеристика, которая в области очень малых коэффициентов заполнения падает до нуля. Таким образом, в действительности описываемый преобразователь принадлежит к типу повышающепонижающих, что позволяет автоматически обеспечить мягкий старт при нулевом напряжении на выходе и осуществить переход к нормальному режиму работы только за счёт изменения скважности управляющего сигнала без введения дополнительных схемных элементов. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОТОТИПА УСТРОЙСТВА

а)

б) Рис. 10. Измеренная передаточная характеристика преобразователя в зависимости от коэффициента заполнения. Пунктиром показана расчётная кривая

И С Т О Ч Н И К И П И ТА Н И Я

50

ного и отрицательного напряжений на входе следует, что ключ S должен обладать двухквадрантной вольтамперной характеристикой переключения, работая в первом и третьем квадрантах, как показано на рисунке 9а. Другими словами, при положительном напряжении на входе ключ S работает в первом квадранте, но при этом он должен выдерживать напряжения, лежащие в области третьего квадранта. Очевидно, что ни биполярные, ни МОП-транзисторы не рассчитаны на работу в области 3-го квадранта (для МОП-транзисторов это связано с наличием паразитной диодной структуры в подложке). Однако биполярные транзисторы с изолированным затвором и блокировкой обратного напряжения (RBIGBT) способны выдерживать такое высокое обратное напряжение, т.к. они сконструированы именно с этой целью. Следовательно, ключ S должен содержать два параллельно включённых RBIGBT разной проводимости (для обеспечения работы при обеих полярностях входного напряжения). Конечно, в большинстве приложений предпочтительнее было бы использовать ключи на основе МОПтранзисторов из-за больших частот переключения и сравнительно малых (хотя и больших, чем у IGBT) потерь в открытом ключе. В настоящее время

WWW.ELCP.RU

Рис. 11. Внешний вид прототипа преобразователя (а) и осциллограммы тока и напряжения в питающей сети (б)

использовать в описываемой конструкции одиночный МОП-ключ невозможно из-за паразитных диодов, но можно использовать последовательно соединённые МОП-транзисторы с общей схемой управления затворами с плавающим потенциалом (см. рис. 9в). Поскольку статические потери в настоящее время вовсе не являются доминирующим типом потерь в преобразователе, можно ожидать, что при использовании ключа такого типа общий КПД увеличится с существующих 98% до более чем 99% в самом ближайшем будущем. ЗАПУСК ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

При выводе формулы для коэффициента преобразования предполагалось, что выходное напряжение всегда больше входного, так что при нарушении этого условия возможны определенные проблемы при запуске. Та же проблема возникает в обычных повышающих преобразователях, что требует введения в их конструкцию схем принудительного ограничения тока. Однако описываемый преобразователь таких цепей не требует, т.к. специальный режим при малом коэффициенте заполнения обеспечивает мягкий старт при нулевом выходном напряжении. Показанная пунктиром на рисунке 10 передаточная характеристика

Нами был создан прототип безмостового преобразователя, рассчитанный на 400-Вт нагрузку. Его внешний вид представлен на рисунке 11а, в то время как измеренные на практике ток и напряжение в сети показаны на рисунке 11б. Обратите внимание на несомненную близость формы тока и напряжения. Однако при этом заметны серьёзные отклонения формы напряжения в сети от синусоидальной. Такие отклонения являются результатом одновременного подключения к одной линии множества потребителей, так что на пике сетевого напряжения заметны просадки. Интересно, что даже при столь заметных отличиях входного напряжения от синусоидальной формы прямая пропорциональная зависимость входного тока прототипа от входного напряжения сохраняется, т.е. коэффициент мощности остаётся практически равным единице. Измеренный коэффициент мощности для данного прототипа составила 0,999.

ЛИТЕРАТУРА 1. Slobodan Cuk, “Modelling, Analysis and Design of Switching Converters”, PhD thesis, November 1976, California Institute of Technology, Pasadena, California, USA. 2. Dragan Maksimovic, “Synthesis of PWM and Quasi-Resonant DC-to-DC Power Converters”, PhD thesis, January 12, 1989, California Institute of Technology, Pasadena, California, USA. 3. Vatche Vorperian, “Resonant Converters”, PhD thesis, California Institute of Technology, Pasadena, California.

4. Slobodan Cuk, R.D. Middlebrook, “Advances in Switched-Mode Power Conversion”, Vol. 1, II, and III, TESLAco 1981 and 1983.

5. Stephen Freeland, “I. A Unified Analysis of Converters with Resonant Switches II. Input -Current Shaping for Single Phase Ac-Dc Power Converters”, PhD thesis, October 20, 1987, California Institute of Technology, Pasadena, California, USA.

Источники питания Mean Well 2010. Курс прежний: энергосбережение СЕРГЕЙ КРИВАНДИН, АНДРЕЙ КОНОПЕЛЬЧЕНКО, ЗАО «Компэл»

Тематический номер «ЭК» — «Источники питания» — уже четвертый год подряд содержит обзор новых источников питания Mean Well, в котором рассказывается о направлениях развития компании и тенденциях рынка модульных источников питания. До 2014 г. этот рынок, по прогнозам Darnell, будет расти со скоростью 6,8% в год. В 2010 г. Mean Well активно развивает направления источников питания для светодиодов серий HLG(H), CEN, PLP, а также экономичных универсальных модулей HRP(G) и «зеленых» сетевых адаптеров GS.

МИРОВОЙ РЫНОК ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

В 9-м выпуске отчета аналитического агентства Darnell «AC/DC источники питания: мировые прогнозы» отмечается, что рынок AС/DC источников питания растет, хотя рост и замедлился из-за мировых экономических проблем. Среди общих факторов роста рынка AC/DC встраиваемых преобразователей названы тенденции уменьшения размеров корпусов, внедрение мировых стандартов, требующих применения энергосберегающих источников питания с высоким КПД, а также развитие вариантов архитектур питания. Согласно прогнозу агентства Darnell, мировой рынок встраиваемых AC/DC источников питания должен вырасти с 14,8 млрд. долл. в 2009 г. до 20,6 млрд. долл. в 2014 г. Средняя скорость роста — 6,8% в год. Такой рост во время мирового спада экономики во многом обусловлен ростом рынка источников питания для светодиодного освещения (SSL — Solid State Lighting). Эта же тенденция отмечена в отчетах агентств Frost & Sullivan «Анализ мирового рынка импульсных AC/DC источников питания» и агентства IMS Research. Рынок полупроводникового света назван самым быстро растущим сегментом рынка источников питания. Доля источников питания для этого рынка выросла на 10—13%. Поэтому аналитические агентства стали отдельно рассматривать этот новый сектор — «Светодиодное освещение», добавив его к традиционным секторам рынка — «Телекоммуникации», «Компьютеры», «Промышленность», «Медицина», «Военные и аэрокосмические приложения», «Бытовая электроника». Агентство Darnell в своем отчете отмечает, что в сегменте рынка SSL наиболее быстро растет спрос на источники питания мощностью 100 Вт и выше, хотя потребность в маломощных модулях питания светодиодов довольно высока. В связи с этим все больше компанийпроизводителей включают источники питания для светодиодных светильников в свой ассортимент продукции. Компания Mean Well выпускает источники питания для светодиодов с 2007 г.

блению источников питания Mean Well. На втором месте по объему потребления источников питания Mean Well находятся США, на 3—5-м местах — Тайвань, Германия и Италия, соответственно. Россия в этом рейтинге занимает 6-е место. Структура продаж источников компании Mean Well в 2009 г. приведена на рисунке 1. Следует отметить, что в секторе «Световые табло/Полупроводниковое освещение» учитываются продажи не только специализированных источников питания для светодиодов, но и любых модулей, применяемых в освещении и подсветке. Наиболее быстро растут продажи источников питания Mean Well для светодиодов: за первые 4 месяца 2010 г. рост составил 66% по сравнению с аналогичным периодом прошлого года. Вторыми по темпам роста идут полузаказные источники питания для промышленной автоматизации и измерений. На третьем месте по темпам роста — экономичные сетевые адаптеры, отвечающие требованиям ErP и Energy Star. Стратегия развития компании Mean Well в 2010 г. предполагает более плотную работу с заказчиками, развитие линейки продукции для растущих рынков (светодиодное освещение, системы безопасности, электрический транспорт, телекоммуникации, медицинская техника) и предложение своей продукции в регионах, где развитие экономики имеет позитивную динамику — в Индии, Бразилии, Юго-Восточной Азии. Новые и разрабатываемые изделия отвечают самым современным веяниям в проектировании источников питания: уменьшение размеров, увеличение КПД, внедрение цифрового управления. Намечены и реализуются меры по дальнейшему улучшению качества выпускаемой продукции.

НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ КОМПАНИИ MEAN WELL

Компания Mean Well не растерялась во время экономического спада 2008—2009 гг. и сосредоточила свои усилия на наиболее перспективных направлениях: энергосбережение и светодиодное освещение [1]. Это принесло свои плоды: продажи источников питания Mean Well в Китае в 2007—2009 гг. выросли на 42% в основном за счет источников питания для светодиодного освещения. Китай же является и мировым лидером по потре-

Рис. 1. Структура продаж источников питания Mean Well в мире в 2009 г.

Электронные компоненты №8 2010

51

Напомним, что Mean Well производит источники питания на трех заводах: в Тайпее (Тайвань), Гуанчжоу и Суджоу (Китай). Строгая стандартизация производственных процессов и процедур закупки комплектующих на всех трех предприятиях позволяет не только повысить качество продукции, но и снижать цены. Дополнительным достижением стандартизации является сокращение сроков разработки новых изделий и запуска их в серийное производство. НОВЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ДЛЯ СВЕТОДИОДНОГО ОСВЕЩЕНИЯ

Компания Mean Well своевременно реагирует на потребности рынка: в период с 2007 по 2010 гг. были разработаны и запущены в производство 35 серий источников питания для светодиодных приложений с самыми разными параметрами. Они отличаются мощностью, материалом корпуса, степенью защиты от воздействий окружающей среды, режимом стабилизации выходного тока или напряжения, наличием регулировки выходного тока, наличием корректора коэффициента мощности (ККМ) и т.д. Оперативно выбрать серию источника тока можно, исходя из рисунка 2.

52

Рис. 2. Выбор драйвера светодиодов Mean Well

WWW.ELCP.RU

Рассмотрим наиболее интересные новинки Mean Well 2010 г. Все они имеют встроенный корректор коэффициента мощности. Активный ККМ позволяет соответствовать требованию ГОСТ 51317.3.2-2006 (IEC 61000-3.2:2005) к допус тимому уровню гармоник тока в сети для оборудования Class C (Светотехника). Другая особенность этих источников питания — универсальность: они могут работать в режиме стабилизации тока (СС mode) или стабилизации напряжения (СМ mode). Как осуществить переход из одного режима в другой, подробно рассказано в статье [2]. Серия HLG в настоящий момент является «флагманской» серией с лучшими техническими параметрами в линейке светодиодных источников питания Mean Well. Модельный ряд источников питания HLG включает серии: HLG-100, HLG-120, HLG-150, HLG-185, HLG-240 мощностью 100, 120, 150, 185, 240 Вт с ККМ в металлическом корпусе с заливкой теплопроводящим компаундом. Внешний вид источника питания HLG представлен на рисунке 3. К особенностям этой серии можно отнести наличие модулей с нестандартным выходным напряжением 42 и 54 В, что позволяет подключать необходимое количество светодиодов последовательно.

В вариантном исполнении диапазон входных напряжений источника питания увеличен до 305 В переменного тока (или 431 В постоянного тока), что кодируется суффиксом «H» после числового обозначения мощности, например, HLG-240H-48. Модули питания с расширенным входным диапазоном напряжения предназначены для светильников вагонов поездов, электричек, метро и востребованы в условиях отечественных сетей с нестабильным напряжением и скачками напряжения. Имеется несколько вариантов исполнения источников питания HLG, которые отличаются способом подключения сети и нагрузки и вариантами управления выходными током и напряжением. Варианты кодируются суффиксом в маркировке модуля после цифрового обозначения выходного напряжения, например, HLG-240-12A. Источники питания с суффиксом «А» (см. рис. 3) выполнены в металлическом корпусе со степенью защиты от внешних воздействий IP65, в них возможна подстройка выходного напряжения и тока с помощью потенциометров, отверстия для доступа к которым закрыты резиновыми заглушками. Суффикс «B» говорит, что степень защиты источника питания соответствует IP67, а функции динамического управления в процессе эксплуатации (диминг) реализованы дистанционно через дополнительные провода управляющего входа. Диминг можно осуществить при помощи потенциометра, внешнего управляющего аналогового напряжения или внешних ШИМ-импульсов. Регулировочные характеристики и числовые значения приведены в фирменном описании источника питания, которое можно скачать с сайта официального дистрибьютора «Компэл» (www. compel.ru) или с сайта производителя (www.meanwell.com). Суффиксом «С» кодируются модули с клеммной колодкой под винт, не защищенные от проникновения пыли и влаги. При отсутствии суффикса степень защиты корпуса HLG с проводами соответствует IP67, а функции подстройки или диминга отсутствуют. Модули питания HLG соответствуют международным стандартам по безопасности UL1310 Class 2, EN61347-1, EN61347-2-13, UL8750, UL60950-1, TÜV EN60950-1 и электромагнитной совместимости EN55015, EN55022 (CISPR22) Class B, EN61000-3-2 Class C; EN61000-3-3, EN61000-42,3,4,5,6,8,11; ENV50204, EN61547, EN55024, что позволяет применять их как в светодиодном освещении, так и в промышленном оборудовании, в средах с высоким содержанием пыли и влаги, в широком диапазоне рабочих температур: –30…70°C. Источники питания серии CEN реализованы в герметичном по IP66 металлическом, не залитом внутри компаундом корпусе, что позволило снизить массу и цену изделий. Модули CEN-60, CEN-75, CEN-100 мощностью 60, 75, 100 Вт имеют расширенный вход 90…295 В переменного тока и встроенный ККМ. Подключение входной сети и нагрузки осуществляется с помощью входного (18AWGx3C) и выходного кабелей (18AWGx2C) длиной 30 см с герметизированными разъемами со стороны корпуса источника питания (см. рис. 4). Такая особенность может быть удобна при нестандартном монтаже модуля. В серии CEN имеются модули с выходным напряжением 12, 15, 20, 24, 30, 36, 42, 48, 54 В. Выходной ток источников питания CEN можно подстроить в диапазоне 75—100% от номинального значения, а напряжение — на ±10% от номинала потенциометрами на передней панели. Модули питания серии CEN являются бюджетной заменой модулей питания серий CLG и HLG. Широкий диапазон рабочих температур: –30…70°C и высокая степень защиты от внешних воздействий IP66, соответствие требованиям стандартов UL8750, TÜV EN61347-1, EN61347-2-13, EN55015, EN61000-3-2 Class C, EN61000-3-3, EN61000-4-2,3,4,5,6,8,11; ENV50204, EN55024,

а)

Суффикс «A»

Суффикс «В»

Суффикс «С»

Без суффикса

б) Рис. 3. Источник питания HLG: а) внешний вид, б) варианты исполнения

Рис. 4. Источник питания CEN для светодиодной техники, выполненный в герметичном металлическом корпусе

а)

б)

Рис. 5. Открытые источники питания: а) cерия PLP-20, б) cерия PLP-45

EN61547 позволяют применять эти источники в светодиодных светильниках как для внутреннего, так и для наружного применений. Открытые источники питания серией PLP-30 и PLP-60 появились совсем недавно и сразу стали популярны из-за высоких технических параметров, компактности и малой цены. В 2010 г. компания Mean Well представила две новые серии открытых источников питания PLP-20 и PLP-45 мощностью 20 и 45 Вт соответственно. Источники питания серии PLP имеют встроенный ККМ, что соответствует требованиям стандарта EN61000-3-2 Class C (светотехника). Выходное напряжение источников питания принимает значения от 12 до 48 В в зависимости от модели. Внешний вид модулей приведен на рисунке 5. Открытые источники питания предназначены для монтажа непосредственно в светодиодный светильник. Обычно при производстве герметичных светильников изготавливается герметичный светодиодный модуль, который подключается к герметичному источнику питания. Такой подход ведет к значительному увеличению

Электронные компоненты №8 2010

53

и оптимальный режим нагрузки. Широкий диапазон рабочих температур –30…70°C позволяет применять эти источники питания в плохо отапливаемых помещениях. НОВЫЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ MEAN WELL а)

б)

Рис. 6. Энергосберегающие источники питания HRP(G): а) серия HRP-75, б) серия HRPG-200

а)

б)

Рис. 7. Программируемые источники питания серии SPV: а) серия SPV-150, б) серия SPV-1500

Рис. 8. Регулировочная характеристика модуля SPV-1500

54

цены светильника за счет относительно высокой стоимости модуля питания. Модули питания серии PLP являются незаменимыми для бюджетных решений, в которых есть возможность встроить модуль питания непосредственно внутрь корпуса светильника, что повышает удобство монтажа светодиодного изделия. Широкий диапазон рабочих температур: –30…70°C и соответствие требованиям стандартов EN55015, EN61000-3-2 Class C, EN61000-3-3, EN61000-4-2,3,4,5,6,8,11; ENV50204, EN55024,EN61547 позволяют рекомендовать источники PLP в качестве встраиваемых изделий в светильники, которые устанавливаются как внутри, так и снаружи помещений. Популярная линейка источников питания PLN с ККМ в пластмассовом корпусе по IP64 дополнена модулями PLN-20, PLN-45 и в настоящее время включает четыре серии PLN-20, PLN-30, PLN-45, PLN-60 мощностью 20, 30, 45, 60 Вт соответственно. Модули PLN-20 отличаются от других этой же серии наличием встроенного подстроечного резистора, задающего значение выходного тока

WWW.ELCP.RU

Энергосберегающие источники питания серии HRP(G) — это универсальные источники питания в металлическом перфорированном корпусе, с ККМ и имеющие высокий КПД. Линейка энергосберегающих источников питания HRP(G) насчитывает на сегодня семь серий: HRP-75, HRP-100, HRP(G)-150, HRP(G)-200, HRP(G)-300, HRP(G)-450, HRP(G)-600 (см. рис. 6). Серия HRP включает базовые модели, а HRPG — полнофункциональные версии, которые отличаются от базовых наличием «дежурного» питания 5 В/0,3 А и выводов дистанционного включения/ выключения (Remote Control). «Дежурное» питание 5 В нужно для слаботочных управляющих логических цепей, которые есть практически в любой современной системе. Функция дистанционного включения/выключения позволяет выключать источник питания в промежутки времени, когда его функционирование системе не нужно, что позволяет экономить потребляемую системой электроэнергию. Кроме того, модули HRPG имеют низкое собственное энергопотребление на холостом ходу — 0,5…0,75 Вт (в зависимости от модели). КПД источников питания HRP(G) на 5—13% больше, чем у первого поколения источников питания Mean Well с ККМ серии SP. Новые модули устойчивы к импульсам входного напряжения до 300 В переменного тока в течение 5 с, имеют широкий температурный диапазон: –30…70°C, реализованы в компактных корпусах. Эти особенности делают источники питания HRP и HRPG привлекательными для применения в промышленной автоматике, измерительном оборудовании, светотехнических приложениях, в приборах, требующих низкого энергопотребления. Источники питания серии SPV — это модули с возможностью регулировки выходного напряжения в широких пределах. Выпускаются три серии источников питания: SPV-150, SPV-300, SPV-1500 мощностью 150, 300 и 1500 Вт соответственно (см. рис. 7). Модели мощностью 600 Вт находятся в разработке. Источники питания серии SPV подключаются к универсальной входной сети 90…265 В переменного тока. В них предусмотрен полный комплекс защит: от короткого замыкания, превышения нагрузки, превышения выходного напряжения, перегрева. В состав всех модулей серии SPV входит активный ККМ, типичное значение коэффициента мощности составляет 0,94. У источников питания SPV-1500 имеется дополнительное дежурное питание 12 В/100 мА и схема компенсации падения напряжения на длинных проводах от источника к нагрузке. В источниках питания серии SPV реализована функция регулировки выходного напряжения, значение которого задается уровнем внешнего управляющего напряжения. Регулировочная характеристика приведена на рисунке 8. Диапазон регулировки выходного напряжения составляет 20—100% от номинального значения выходного напряжения. Внимание: на выводы управления «PV» и «V-» модулей SPV обязательно надо подавать управляющее напряжение в диапазоне 1,1…6 В, иначе источник питания не будет соответствовать заявленным производителем параметрам. Изделия SPV отвечают требованиям стандартов UL60950-1, TÜV EN60950-1, EN55022 (CISPR22), EN61000-3-

Таблица 1. Требования к параметрам внешних источников питания AC/AC и AC/DC в рабочем режиме Регион (организация) Этап внедрения Дата внедрения Энергопотребление без нагрузки

Шаг 1 (IV)

26 апреля 2010

Шаг 2 (IV)

26 апреля 2011

Европа (ErP)

США (EISA)

Energy Star IV

1 июля 2008

Минимальный КПД Мощность Pno 1…51 Вт

Мощность Pno 51…250 Вт

0,5 Вт (для Pno 0…250 Вт)

0,09ln (Pno) + 0,49

0,85

0,3 Вт (для Pno до 51 Вт)

0,0063ln (Pno) + 0,622

0,87

0,5 Вт (для Pno 51 …250 Вт)

0,0075ln (Pno) + 0,561 (Uвых<6В)

0,86

0,5 Вт (для Pno 0…250 Вт)

0,09ln(Pno) + 0,49

0,85

2,-3, EN61000-4-2,3,4,5,6,8,11; ENV50204, EN55024 и могут применяться в промышленной автоматизации, системах передачи данных, светотехнике и т. д. НОВЫЕ «ЗЕЛЕНЫЕ» СЕТЕВЫЕ АДАПТЕРЫ ПИТАНИЯ

Экономия электроэнергии через некоторое время может стать одной из частей «дохода» в бюджете многих стран, ибо «что сохранено, то заработано». Большинство развитых стран разработали программы энергосбережения. Такие программы есть в США (EISA — Energy Independence and Security Act), Европе (ErP — Energyrelated Product), Южной Корее (KEMCO), Австралии и Новой Зеландии (MEPS — Minimum Energy Performance Standards), Китае, Японии. Все мировые стандарты по энергосбережению имеют общую суть, но отличаются в деталях. В таблице 1 приведены требования программ США и Европейского союза [3] к сетевым адаптерам, где Pno — паспортная выходная мощность сетевого адаптера, ln — обозначение натурального логарифма. Все источники питания с паспортной выходной мощностью ≥75 Вт должны иметь коэффициент мощности ≥0,9, измеренный при стопроцентной нагрузке. В нашей стране приняты долгосрочная Федеральная целевая программа «Энергетическая стратегия России» на период до 2020 г. и Федеральный закон «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ». Эти требования государственных регулирующих органов стимулируют применение энергосберегающих источников питания и, в частности, сетевых адаптеров питания. Все серии сетевых адаптеров Mean Well в соответствии со стандартами Energy Star и ErP отличаются малым собственным энергопотреблением менее 0,3…0,5 Вт на холостом ходу и высоким КПД, что соответствует концепции энергосбережения. По этой причине фирмапроизводитель называет их «зелеными». С 2008 по 2009 гг. компания Mean Well разработала 7 «зеленых» серий сетевых адаптеров: GS12, GS18, GS25, GS40, GS60,

GS120, GS220. В 2010 г. этот модельный ряд пополнился двумя новыми сериями GS120 и GS160, мощностью 120 и 160 Вт, соответственно. КПД этих источников питания составляет 89—94%, они соответствуют стандартам энергосбережения EISA и ErP. Источники питания серий GS120 и GS160 выпускаются в нескольких вариантах с фиксированным выходным напряжением 12, 15, 20, 24 или 48 В. Они соответствуют требованиям сертификатов TÜV, UL, CUL, CB, BSMI, CE, FCC, CCC по безопасности и электромагнитной совместимости. Широкий диапазон рабочих температур –30…70°C расширяет область применения этих источников. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведенный краткий обзор новых источников питания Mean Well, выпущенных в 2009–2010 гг., демонстрирует активное развитие перспективных изделий для быстро растущих рынков в соответствии со всеми регулирующими стандартами и требованиями. Более подробную информацию об этих и других источниках питания можно найти на специализированном сайте официального дистрибьютора компании «Компэл» (http://www.compel.ru), где реализованы параметрический поиск, автоматическое определение аналогов и происходит постоянное обновление информации. Новинки имеются на складе «Компэл» в Москве, и их можно оперативно заказать у менеджеров по продажам. ЛИТЕРАТУРА 1. Источники питания Mean Well: энергосбережение во время спада экономики 2009 года//Электронные компоненты, 2009, №8.

2. Новые источники питания Mean Well. Год 2008//Электронные компоненты, 2008, №8.

3. Новые источники питания Mean Well. 25 лет компании: успехи и продукция//Электронные компоненты, 2007, №7.

4. Модули питания светодиодов ускоряют выход светильника на рынок//Современная светотехника, 2010, №2.

5. Экономичные сетевые адаптеры для промышленной электроники//Новости электроники, 2009, №16.

СОБЫТИЯ РЫНКА | 6-Я ВЫСТАВКА «БЕСПРОВОДНЫЕ И МОБИЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» | «Российская неделя электроники» — крупнейшее событие в отрасли — пройдет в «Экспоцентре» на Красной Пресне 26–28 октября 2010 г. Об участии в программах этого мероприятия заявили более 350 компаний из России, Украины, Белоруссии, Китая, Финляндии, Тайваня, Германии, Бельгии, Японии, Англии, США, Израиля, Нидерландов, Канады, Италии, Франции. Выставка «Беспроводные и мобильные технологии» будет проходить в рамках «Российской недели электроники» в павильоне №3. По вопросам участия в выставке обращайтесь к организаторам по телефону +7 (495) 221-5015 или по электронному адресу: tch@chipexpo.ru (Татьяна Черникова). www.RussianElectronicsWeek.ru

Электронные компоненты №8 2010

55

Ультракомпактные DC/DC-преобразователи серии СС-E с дистанционным управлением ЕВГЕНИЙ РАБИНОВИЧ, инженер, TDK-Lambda

Компания TDK-Lambda расширила линейку высокоэффективных и высоконадежных преобразователей DC/DC серии СС-E, представив новые модели мощностью 15 и 30 Вт. В каждый номинал мощности входят 32 модели, которые можно заказать в корпусе либо для поверхностного монтажа, либо для монтажа в отверстия.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ CC-E МОЩНОСТЬЮ 1,5…25 ВТ

Серия, о которой идет речь, была впервые представлена разработчиками TDK-Lambda в 2006 г. В нее входил широкий ряд моделей 1,5…25 Вт с вариантами входа 5, 12, 24, 48 В и выходами на 3,3; 5; 12; 15 В, либо с двуполярными выходами +/–12 и +/–15 В. Линейка мощностей показана на рисунке 1, варианты серий — в таблице 1. Основные параметры преобразователей серии CC-E: – мощность 1,5…30 Вт; – варианты входного напряжения: 4,5..9 (5 В); 9…18 (12 В); 18…36 (24 В); 36…76 (48 В); – варианты выходного напряжения: 3,3; 5; 12; 15; ±12; ±15 В; – диапазон регулировки выходного напряжения 3,15…

3,6 В; 4,75…6,0 В; 11,4…15 В; – защита от перегрузки — ограничение выходного тока с автовосстановлением; – электрическая прочность изоляции «вход-выход» 500 В переменного тока; – варианты корпусов: SIP, DIP, SMD; – диапазон рабочих температур –40…85°C; – дистанционная подстройка выходного напряжения; – дистанционное включение/выключение. Особенностью данных преобразователей является высокий КПД и ультра-компактность при низком профиле, что очень удобно при проектировании питания

плат телекоммуникационного оборудования, цифровой обработки и передачи данных, а также плат промышленной автоматики, когда свободное место на плате очень ограничено. Преобразователи представляют собой незалитую конструкцию открытого исполнения с защитным металическим кожухом, обеспечивающим дополнительную механическую защиту (внешний вид модулей показан на рисунке 1). Рабочий температурный диапазон мини-модулей: –40...85°C, при этом они могут работать на полную нагрузку без снижения мощности и без принудительного охлаждения до 50°C. При 85°C выходная мощность модулей снижается до 40%. Чтобы преобразователь мог работать на полную мощность при 85°C достаточно внешнего воздушного потока в 1 м/с. Первоначально вышедшая серия включает более 68 моделей. Все они являются изолированными преобразователями с выдерживаемым напряжением «входвыход», «вход-корпус» и «выход-корпус» 500 В. КПД зависит от модели и достигает 90%. Для их запуска и работы не требуется минимальной нагрузки, а от перегрузки имеется защита: ограничение выходного тока с самовосстановлением, модели мощностью 15 и 25 Вт при срабатывании защиты отключаются. Выходное напряжение может быть подстроено вниз на 5% либо вверх на 5—10% в зависимости от модели. Подстройка осущест-

56 Рис. 1. Внешний вид и линейка мощностей преобразователей серии СС-E Таблица 1. Варианты серий преобразователей CC-E мощностью 1,5…25 Вт Одни выход* CC1R5-xxyySz-E CC3-xxyySz-E CC6-xxyySz-E CC10-xxyySz-E CC15-xxyySz-E CC25-xxyySz-E

Два выхода* CC1R5-xxyyDz-E CC3-xxyyDz-E CC6-xxyyDz-E CC10-xxyyDz-E CC15-xxyyDz-E —

Pвых, Вт 1,5 3 6 10 15 25

Размеры, мм 16,51×16,61×8,51 22,86×16,61×8,51 22,86×21,11×8,51 35,56×22,61×8,51 38,10×32,11×7,49 43,21×44,91×7,49

* Вместо «хx» подставляется код номинального входного напряжения: 05 — для 5 В, 12 — 12 В, 24 — 24 В, 48 — 48 В. Вместо «уу» — код выходного напряжения: 03 — 3,3 В, 05 — 5 В, 12 — 12 В. Вместо «z» — тип корпуса: F — корпус типа DIP, R — корпус типа DIP для поверхностного монтажа, S — корпус типа SIP (только для CC3).

WWW.ELCP.RU

Масса, г 3,2 4,5 5,8 10 12,5 20

последовательного соединения, температурный диапазон, защита от перенагрузки, исполнение для поверхностного или «сквозного» монтажа. В новых сериях отсутствуют модели с входными номиналами на 5 и 12 В, двуполярным выходом и подстройкой выходного напряжения. Теперь о главных положительных отличиях. Преобразователи CC-E мощностью 15 или 30 Вт имеют защиту от перенапряжения, которая срабатывает на уровне 115—145% от выходного номинала. Кроме того, предусмотрена функция параллельного включения, для осуществления которой имеется специальный пин «PO». По этой причине есть небольшое дополнение в номенклатуре: полное общее название этой группы — СС-P-E. При параллельном включении выводы «PO» каждого модуля, максимальное количество которых — 10, соединяются между собой, и задействуется схема баланса тока. Этот же вывод дает возможность осуществлять еще одну полезную функцию — синхронизацию включения/выключения: могут одновременно запускаться или останавливаться до 20 модулей, выводы которых соединены между собой. Вывод «ALM» позволяет получить сигнал об аварийном состоянии выхода в условиях перенагрузки, перенапряжения или низкого напряжения. Соединение выводов можно видеть на примере, изображенном на рисунке 4. В новой серии доступны модели с напряжением пробоя 1500 В между входом и выходом.

Рис. 2. Подстройка выходного напряжения преобразователей CC-E с помощью внешнего резистора

Рис. 3. Внешний вид новых преобразователей серии СС-E

ОСОБЕННОСТИ ТОПОЛОГИИ И КОНСТРУКЦИИ DC/DC-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ CC-P-E

Рис. 4. Пример параллельного включения двух модулей СС-P-E

58

вляется с помощью подбора внешних резисторов Rb или Ra, как показано на рисунке 2. Резистор Ra подстраивает напряжение вверх, а Rb — вниз. Номиналы необходимых сопротивлений легко рассчитываются по формуле, приведенной в инструкции по применению. Возможно дистанционное включение и отключение выходного напряжения. НОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ 15 ИЛИ 30 ВТ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВКЛЮЧЕНИЯ И СИГНАЛИЗАЦИЕЙ АВАРИИ

Новые 32 модели мощностью 15 и 30 Вт (см. рис. 3, табл. 2) имеют те же функции, что и основная линейка: дистанционное включение/выключение, возможность

C точки зрения топологии (см. рис. 5) модуль представляет собой преобразователь типа Forward, выполненный с применением активных ключей вместо обычных диодов. Схема задержки запускает контроллер на 20—50 мс позже, чем детектор напряжения распознает достаточный уровень напряжения на входе для обеспечения готовности всех цепей защиты. В стартовом режиме питание контроллера осуществляется за счет энергии, поступающей с входных клемм. Далее питание микросхемы управления и элементов цепей сигнализации обеспечивается дополнительным источником питания, снимающим импульсы со вторичной обмотки. Сигнал защиты по перенапряжению (OVP), по низкому напряжению (LVP), а также обратной связи в таком миниатюрном преобразователе снимается с той же обмотки. За счет синхронной наводки напряжения во вторичных обмотках также выполняется открытие/ закрытие активных ключей. Применение миниатюрных MOSFET-транзисторов с низким соротивлением RDS(on) в качестве ключей также помогает повысить КПД: они обладают малым временем восстановления (около 28 нс), которое даже ниже, чем у диодов типа Super Fast. С шунта, включенного последовательно с транзистором, снимается токовый сигнал для обеспечения защиты по току (OСP). Магнитные компоненты имеют PCB-обмотки, расположенные на разных слоях многослойной печатной платы. Тонкие планарные сердечники

Таблица 2. Параметры преобразователей CC15-E и CC30-E мощностью 15 и 30 Вт Одни выход* CC15-xxyySza-E CC30-xxyySza-E

Pвых, Вт 15 30

Варианты Uвх, В

Варианты Uвых, В

18…36 (24 ном.) или 36…76 (48 ном.)

3,3; 5; 12; 15

* Вместо «хx» подставляется код номинального входного напряжения: 24 — 24 В, 48 — 48 В. Вместо «уу» — код выходного напряжения: 03 — 3,3 В, 05 — 5 В, 12 — 12 В, 15 — 15 В. Вместо «z» — тип корпуса: F — корпус типа DIP, R — корпус для поверхностного монтажа. Вместо «a» — наличие кожуха: P — с кожухом, H — без кожуха, открытое исполнение.

WWW.ELCP.RU

Размеры, мм 38,4×6,8×29,6 38,4×8,3×33,5

Масса в корпусе/без корпуса, г 15/10 20/15

Рис. 5. Блок-схема модулей СС-P-E

типа «Е» имеют низкий показатель потоков рассеяния, что помогает уменьшить потери высокочастотной трансформации. Все преобразователи серии СС-E отвечают стандарту RoHS, стандартам безопасности UL/CSA/ EN60950-1

и имеют знак CE в соответствии с директивой LV (Low Voltage). Преобразователи не имеют в своем составе электролитических или танталовых конденсаторов, что повышает срок их службы: данная серия имеет 5 лет гарантии.

СОБЫТИЯ РЫНКА | СЕМИНАР «ПРАКТИКА СЕРИЙНОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЧ-БЛОКОВ НА МАТЕРИАЛАХ С МЕДНЫМ ОСНОВАНИЕМ» | Группа компаний «Абрис» приглашает посетить семинар по теме «Практика серийного изготовления СВЧ-блоков на импортных материалах (Rogers, Taconic др.) с медным основанием» в рамках деловой программы выставки «ЧипЭкспо». Семинар пройдет в первый день работы выставки — 26 октября 2010 г. в 14.30 в Мраморном зале павильона «Форум» «Экспоцентра» на Красной Пресне. В ходе семинара будут рассмотрены вопросы, которые касаются освоенной и развиваемой «Абрис-Технолоджи» технологии серийного изготовления СВЧ-блоков гражданского и военного назначения диапазона десятки Ггц:

особенности проектирования СВЧ-блоков; переход на импортные материалы при их изготовлении; достоинства и особенности импортных СВЧ-материалов печатных плат (Rogers, Taconic и др.); характеристики новых материалов Rogers; типовая структура СВЧ печатной платы на металлическом основании; особенности монтажа СВЧ ПП на металлическом основании; преимущества перехода на новые технологии.

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.). Просим Вас предварительно зарегистрироваться на нашем сайте www.rcmgroup.ru или по телефону (812) 702-10-10. Во время работы выставки «ЧипЭкспо» все подробности можно узнать на стенде ГК «Абрис» — 2-20. www.rcmgroup.ru

СОБЫТИЯ РЫНКА | СПЕЦИАЛЬНАЯ ПРОГРАММА ДЛЯ СТУДЕНТОВ ТЕХНИЧЕСКИХ ВУЗОВ | Организаторы «Российской недели электроники» разработали специальную программу для студентов технических вузов. Предложение направить на выставки студенческие группы получили профильные кафедры более чем 50 вузов России. Особый интерес, несомненно, вызовет серия презентаций новинок электроники в рамках Экспо-форумов. Возможно, что представленные на выставках новые разработки найдут отражение в дипломных и курсовых проектах. По вопросам участия студенческих групп в Экспо-форумах обращаться по телефону (495) 287-44-12 (Константин Морозов). По вопросам участия в других мероприятиях обращайтесь к организаторам «Российской недели электроники» по электронному адресу: info@chipexpo.ru. Оформление заявок на участие: http://chipexpo.chipexpo.ru/partform.html . www.RussianElectronicsWeek.ru

Электронные компоненты №8 2010

59

Источники питания Mean Well для промышленной автоматики ОЛЕГ СЕРГЕЕВ, инженер по технической поддержке, ЗАО «АВИТОН» Одна из самых широких областей применения источников питания — промышленная автоматика. В статье сделан обзор решений в этой области, предлагаемых тайваньской компанией Mean Well. Системы промышленной автоматики очень часто строятся с использованием 19” шкафов и стоек. Поэтому, говоря об источниках питания для промышленных применений, будем рассматривать те решения, которые могут быть установлены в 19” стойку непосредственно или с применением готовых крепёжных аксессуаров. Под это требование попадают источники питания в корпусах для установки на DIN-рейку, в корпусах, устанавливаемых непосредственно в 19” стойку, или с помощью поставляемых производителем монтажных комплектов, а также источники питания, предназначенные для использования в составе конструктивов Евромеханика. В каталоге компании Mean Well имеется несколько линеек продукции, ориентированной на применение в 19” стойках: – источники питания в корпусах для установки на DINрейку; – источники питания для установки непосредственно в 19” стойку; – источники питания, устанавливаемые на DIN-рейку при помощи адаптеров. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ДЛЯ УСТАНОВКИ НА DIN-РЕЙКУ

60

Источники питания для установки на DIN-рейку, выпускаемые компанией Mean Well, имеют мощность 10…960 Вт. В данном конструктивном исполнении выпускается 6 семейств источников питания, различных по своим характеристикам. Основные отличия разных семейств источников питания приведены в таблице 1. Источники питания DR — это базовые модели. Часть моделей выпускается в пластиковых корпусах с изоляцией класса II, остальные модели выпускаются в металлических и обычных пластиковых корпусах. Это семейство не имеет встроенного корректора коэффициента мощности (ККМ) и может работать от сетей с напряжением 110 или 220 В. Часть серий семейства DR имеет универсальный диапазон входного напряжения, а у некоторых серий (DR-120 и DR-480S) выбор диапазонов напряжения питания производится при помощи переключателя. Семейство DRP является логичным продолжением семейства DR в сторону более высоких мощностей. Они отличаются металлическим корпусом и встроенным ККМ.

Источники питания MDR выпускаются в пластиковых корпусах, которые имеют уменьшенную ширину вдоль рейки. Семейство SDR, недавно появившееся в каталоге Mean Well, состоит из высокопроизводительных и компактных источников питания. По сравнению с источниками питания DR и DRP экономия ширины вдоль DIN-рейки составляет 39—63% в зависимости от модели. Эти источники питания характеризуются высоким КПД (до 94%) и имеют встроенный ККМ. (Представитель этого семейства — источник питания SDR-120 представлен на рисунке 1). Для использования в трёхфазных сетях питания выпускается семейство источников питания DRH/DRT. Они могут работать при входных напряжениях 340…550 В.

DRH-120 мощностью 120 Вт (см. рис. 2) имеет однофазный вход, остальные источники серии — DRT-240, -480 и -960 (см. рис. 3) подключаются к трём фазам питающей сети. Это позволяет равномерно распределить нагрузку между фазами. Источники питания WDR имеют расширенный диапазон входных напряжений, позволяющий им работать как в сетях с напряжением 220 В, так и в сетях с напряжением 380 В. Эти источники подключаются к однофазной сети. Размеры корпусов такие же, как и у источников питания SDR. Рассмотрим подробнее основные параметры источников питания на DIN-рейку, выпускаемых Mean Well: – Выходные напряжения могут быть выбраны из следующего ряда: 5, 12, 15, 24 и 48 В. При этом для моделей мощностью 240 Вт и выше доступны только напряжения 24 и 48 В.

Рис. 1. Источник питания из нового семейства Mean Well – SDR-120

Таблица 1. Основные характеристики семейств источников питания с установкой на DIN-рейку Семейство DR DR DRP MDR SDR DRH/DRT WDR

Диапазон выходных Входное переменное напря- Количество фаз входНаличие ККМ Материал корпуса Примечание мощностей, Вт жение, В ного напряжения 15…100 нет 88…264 1 Пластик, изоляция класс II 45…120 нет 85…264 или 90…132/180…264 1 Пластик или металл 240…480 есть 90…132/180…264 1 Металл 10…100 есть только для 100 Вт 85…264 1 Пластик Уменьшенная ширина корпуса 120…480* есть 88…264 1 Металл Уменьшенная ширина корпуса 120…960 есть 340…550 3 фазы (120 Вт – 1 фаза) Металл 120…480* есть, кроме 120 Вт 180…550 1 Металл Уменьшенная ширина корпуса

* Часть источников из этих семейств будет выпущена в ближайшее время.

WWW.ELCP.RU

Рис. 2. Источник питания DRH-120

Рис. 3. Источник питания DRT-960

– Нестабильность выходного напряжения при изменении нагрузки составляет 0,5—1% в зависимости от конкретной модели.

– Нестабильность выходного напряжения при изменении входного напряжения составляет 0,5—1% в зависимости от модели.

– Подстройка выходного напряжения: для семейств DRH/DRT, SDR, WDR, DR (75 Вт и более), MDR (40 Вт и более)

в диапазоне 0—20%; для остальных источников питания — в диапазоне ±10%.

– КПД источников питания может заметно отличаться в зависимости от выбранного семейства. Так, семейства DRH/DRT, WDR, SDR имеют КПД — 85—94%, а семейства DR, MDR и DRP — 72—89%.

– Все рассматриваемые источники питания имеют защиту выхода от короткого замыкания, от перегрузки и перенапряжения. Часть семейств, например DRP, DRH/DRT, WDR, SDR, имеет также защиту от перегрева.

– Максимальная рабочая температура (без снижения мощности) для разных моделей составляет 45…60°С. Минимальная рабочая температура –20…–25°С, для отдельных моделей –10°С.

– Прочность изоляции вход-выход — 3 кВ; входкорпус — 1,5 кВ; выход-корпус — 0,5 кВ (всё — переменный ток).

– Все источники питания проходят испытания на соответствие требованиям безопасности (стандарт МЭК 60950-1), а также требованиям по электромагнитной совместимости (точный перечень стандартов приводится в каталоге Mean Well и в спецификации источника питания).

– Все источники питания проходят испытания на воздействие вибрации в диапазоне 10…500 Гц амплитудой 2g. Некоторые серии источников питания Mean Well для установки на DIN-рейку имеют выход подтверждения наличия выходного напряжения. Для маломощных источников — это логический сигнал с напряжением, соответствующим выходному напряжению источника питания. Для источников питания мощностью 40 Вт и более сигнал выдаётся в виде контактов реле (сухие контакты). В тех случаях, когда для питания системы требуется мощности больше, чем может обеспечить один источ-

61

Электронные компоненты №8 2010

Рис. 4. Источник питания SPV-300

ник (т.е, более 480 или 960 Вт), может быть использовано параллельное включение источников питания. Такая возможность доступна только для двух моделей: DRT-960 и SDR-480P. Схемы соединений приводятся в спецификациях на эти источники питания. Кроме этого необходимо выровнять выходные напряжения на всех источниках питания в пределах ±2%. Мощность нагрузки, которой можно нагрузить такое параллельное соединение, на 10% меньше суммарной мощности установленных источников питания. Для DRT-960 допускается параллельное соединение 2 источников. Мощность, которую можно при этом получить, составляет 0,9 × 2 × 960 Вт = 1728 Вт. Для модели SDR-480P допускается параллельное соединение 8 источников. Получаемая при этом мощность 0,9 × 8 × 480 Вт = 3456 Вт. Наряду с собственно источниками питания компания Mean Well выпускает для установки на DIN-рейку и другие изделия, используемые при построении систем питания. Среди них можно назвать модуль резервного включения источников питания DR-RDN20. Этот модуль обеспечивает включение двух источников питания с резервированием (схема на основе диодов), а также выдаёт сигналы наличия выходных напряжений на обоих источниках питания. Модуль обеспечивает включение источников питания напряжением 24 В и током до 20 А. Для установки на DIN-рейку выпускается также модуль DR-UPS40, который позволяет создать источник бесперебойного питания на основе стандартного источника питания и аккумуляторной батареи. Модуль обеспечивает возможность заряда батареи и питания системы от одного и того же источника, резервное питание системы от аккумуляторной батареи, контроль заряда батареи и формирование сигналов состояния системы питания. ДРУГИЕ ВОЗМОЖНОСТИ

62

Помимо моделей, которые выпускаются в специализированных корпусах, на DIN-рейку могут быть также установлены и многие модели источников питания, выпускаемые в обычных металлических корпусах. Эти источники питания составляют значительную часть каталога Mean Well, и для их установки на DIN-рейку выпускаются монтажные пластины и адаптеры. В частности эта возможность имеется для источников питания семейств SP (до 320 Вт), S (до 210 Вт), SE (до 350 Вт), NES/NED/NET, RS/RD/ RID/RQ/RT, D/ID, T/IT, Q/IQ, TP/QP, HRP/HRPG (до 300 Вт), SPV (до 300 Вт, см. рис. 4). Эти модели обеспечивают больше возможностей для построения систем питания с использованием DIN-рейки. В частности, в этих сериях имеются источники питания с несколькими выходами (2—4 выхода), более широкий выбор выходных напряжений, например, доступны напряжения 3,3, 7,5, 27, 36 В. Более подробная информация о наличии аксессуаров для монтажа на DINрейку приводится в каталоге Mean Well. Ещё один способ решения проблемы питания промышленной автоматики — использовать источники питания, устанавливаемые непосредственно в 19” стойку. Имеется такое решение и у компании Mean Well. Речь идёт о RCP-1U (см. рис. 5), представляющем собой 19” каркас высотой 1U,

WWW.ELCP.RU

Рис. 5. Источник питания RCP-1U, устанавливаемый непосредственно в 19” стойку

в который можно установить до трёх источников питания RCP-1000. Каркас обеспечивает параллельное включение установленных источников питания, позволяя получить напряжение 12, 24 или 48 В с выходной мощностью до 3 кВт. Если необходимо увеличить мощность, то можно параллельно соединить до трёх каркасов RCP-1U, в которых установлено до восьми источников питания RCP-1000. Основные характеристики 19” системы питания на основе RCP-1U приведены ниже: – диапазон входных напряжений 90…264 В; – нестабильность выходного напряжения при изменении нагрузки составляет 0,5%; – нестабильность выходного напряжения при изменении входного напряжения составляет 0,5%; – подстройка выходного напряжения в диапазоне –3,5…10% от номинального напряжения; – типичное значение КПД — 81%; – имеется защита от перегрева, а также защита выхода от короткого замыкания, перегрузки и перенапряжения; – максимальная рабочая температура (без снижения мощности) от 50°С, минимальная рабочая температура –20°С; – прочность изоляции вход-выход — 3 кВ; входкорпус — 1,5 кВ (всё — переменный ток), выход-корпус — 0,7 кВ (постоянный ток); – изделие соответствует требованиям безопасности по стандарту МЭК 60950-1, а также требованиям по электромагнитной совместимости (см. каталог Mean Well и спецификацию); – изделие испытывается на воздействие вибрации в диапазоне 10…500 Гц амплитудой 2g. Система питания на основе RCP-1U имеет богатый набор дополнительных функций, позволяющих использовать данное решение для питания сложных изделий. Система поддерживает горячую замену источников питания, входящих в её состав. Также имеется возможность работы с обратной связью по напряжению на нагрузке. Обеспечивается формирование сигналов подтверждения наличия выходного напряжения, сигнал отсутствия сетевого напряжения и сигнал индикации перегрева. Обеспечивается возможность подстройки выходного напряжения. Поддерживается возможность дистанционного включения и выключения. Имеется дополнительный выход напряжения 5 В. Все возможности управления и диагностики состояния системы доступны через интерфейс I2C, который имеется в моделях с соответствующей опцией. Удобные возможности для индикации режима работы и состояния системы питания предоставляет модуль индикации RCP-MU, получающий информацию от RCP-1U по интерфейсу I2C. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для питания оборудования, размещаемого в 19” стойках, выпускается большое количество источников питания. Широкий ассортимент источников питания, выпускаемых компанией Mean Well как по параметрам, так и по конструктивному исполнению, позволяет выбрать подходящее решение практически для любой задачи.

Батареи и аккумуляторы компании EEMB. Год 2010 ЕВГЕНИЙ ЗВОНАРЕВ, инженер-консультант, ЗАО «Компэл» Внедрение энергосберегающих технологий, систем и устройств с малым потреблением электрической энергии, портативных и переносных приборов с батарейным питанием стимулируют интерес разработчиков к аккумуляторам и батареям с заданными емкостью, разрядным током и сроком службы. Предлагаемый читателю материал содержит краткий обзор батарей и аккумуляторов компании EEMB и рекомендации по активации литиево-тионилхлоридных батарей.

КОМПАНИЯ EEMB И ЕЕ ПРОДУКЦИЯ

EEMB — эффективная и гибкая компания, специализирующаяся в производстве первичных химических источников тока (ХИТ) — литиевых и алкалиновых батарей, а также вторичных ХИТ — никелевых и литиевых аккумуляторов. Батареями будем называть первичные (без возможности заряда) ХИТ, аккумуляторами — вторичные (перезаряжаемые) ХИТ. Продукция компании экспортируется по всему миру и хорошо зарекомендовала себя как в быту, так и в промышленности. Фирма EEMB имеет офисы в США, Китае и Гонконге. В производстве занято около 1600 человек. Выпуск продукции осуществляется под непрерывным и тщательным контролем качества. Продукция одобрена международными сертификатами и сертифицирована по стандартам ISO 9001. Благодаря постоянному обучению персонала, дизайну продукции, высококачественным материалам, строгому соблюдению технологии, постоянному контролю качества в производственных процессах, модернизации оборудования и управления гарантируется высокое качество продукции и сервиса. К наиболее востребованным среди наших разработчиков относятся химические источники тока следующих электрохимических систем (системы обычно называют по материалам электродов): – батареи системы литий-тионилхлорид (Li-SOCL2) серии ER; – батареи системы литий-диоксид марганца (Li-MnO2) серии CR; – аккумуляторы никель-металлгидридные (Ni-MH) серии NH; – аккумуляторы литиево-ионные (Li-Ion) серии LIR;

– аккумуляторы литиево-полимерные (Li-Polymer) серии LP. ПЕРВИЧНЫЕ ЛИТИЕВО-ТИОНИЛХЛОРИДНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА

Номинальное напряжение первичных литиево-тионилхлоридных источников тока составляет 3,6 В. Максимальное значение емкости составляет 36 А∙ч в стандартном корпусе DD. Элементы системы Li/SOCl2 имеют наилучшие характеристики по плотности энергии на единицу объема среди литиевых первичных источников тока. Основные параметры наиболее популярных батарей системы литий-тионилхлорид (Li-SOCL2) серии ER приведены в таблице 1. При выборе батареи необходимо учитывать допустимые токи и режимы разряда. В большинстве случаев допустимый импульсный ток примерно в два раза больше, чем при постоянном токе. Диапазон рабочих температур литиевых батарей серии ER: –55…85°С. Эти батареи допускают длительное хранение (более 10 лет). При этом уменьшение емкости составляет не более 1% в год. Для увеличения срока службы производитель рекомендует использовать батареи этой серии при низких токах разряда. Следует помнить, что при низкой температуре (порядка –50°С) элементы отдают емкость в несколько раз меньше номинальной. Высокотемпературная серия первичных литиево-тионилхлоридных батарей EEMB имеет диапазон рабочих температур –20…150°С. БАТАРЕИ ТАБЛЕТОЧНОГО ТИПА НА ОСНОВЕ ЛИТИЙДИОКСИД МАРГАНЦА

Номинальное напряжение этих батарей составляет 3,0 В. Они также имеют длительный срок хранения

63 Таблица 1. Параметры популярных батарей серии ER (литий/тионилхлорид = Li-SOCL2) Наименование ER14250 ER14335 ER14505 ER18505 ER341245 ER14250М ER14505М ER26500М ER34615M ER2450 ER34070 ER34100

Корпус 1/2АА 2/3АА АА – DD 1/2АА АА C D – 1/10D 1/6D

Uном., В

3,6

Номин. Ток разряда, емкость, мА∙ч мА, стандарт.

1200 1650 2400 4000 36000 750 1800 6500 14000 500 1000 1700

0,5 1,3 2,0 4,0 10,0

0,5 1,0

Ток разряда макс., мА Диаметр, мм Высота, мм Вес, г Постоянный Импульсный 40 80 25,2 11,0 75 150 14,5 33,5 13,0 100 22,0 200 50,5 120 18,8 30,0 450 1000 34,0 124,5 200,0 120 250 14,5 25,2 10,0 500 1000 50,5 22,0 1000 2000 26,2 50,0 53,0 2000 3000 34,0 61,5 118,0 4 10 24,5 5,0 10,0 10 7,0 17,0 20 32,9 15 10,0 22,0

Электронные компоненты №8 2010

(5—10 лет). Потеря номинальной емкости составляет менее 2% в год при комнатной температуре хранения. Диапазон рабочих температур батарей серии CR: –20…60°С. Основные параметры наиболее востребованных литиевых батарей таблеточного (кнопочного) типа серии CR на основе литий-диоксид марганца приведены в таблице 2. Цилиндрические и кнопочные литиевые батареи выпускаются в габаритах элементов традиционных электрохимических систем. Учитывая это, необходимо быть очень внимательным, чтобы не допустить случайных замен элементов с рабочим напряжением 1,5 В на литиевые с напряжением 3,0 или 3,6 В, что может привести к выводу из строя питаемого прибора.

радиостанциях, радиоприемниках, диктофонах, калькуляторах, электрических бритвах, слуховых аппаратах, электрических игрушках и многих других портативных приборах. ЛИТИЕВО-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ СЕРИИ LIR

Наиболее часто в современных мобильных устройствах (ноутбуки, мобильные телефоны, КПК и другие) применяют литиево-ионные (Li-Ion) аккумуляторы. Это связано с их преимуществами по объемной плотности энергии в сравнении с никелево-металлгидридными (Ni-MH) и никелево-кадмиевыми (Ni-Cd) аккумуляторами. Однако следует учитывать, что Ni-Cd аккумуляторы имеют одно важное преимущество — способность обеспечивать более высокие токи разряда и работоспособность при очень низких температурах окружающей среды. Эти свойства не являются первоочередными при питании ноутбуков или сотовых телефонов, но существует достаточно много устройств, потребляющих большие токи, например, электроинструменты, электробритвы и т.д. До сих пор эти устройства работали исключительно от Ni-Cd аккумуляторов. Однако в настоящее время, особенно в связи с ограничением применения кадмия в соответствии с директивой RoHS, резко активизировались исследования по созданию аккумуляторов без кадмия и с большим разрядным током. В результате поисков наилучшего материала для катода современные Li-Ion аккумуляторы превращаются в целое семейство химических источников тока, заметно различающихся друг от друга как энергоемкостью, так и параметрами режимов заряда/разряда. Это, в свою очередь, требует существенного увеличения интеллектуальности схем контроллеров заряда. В противном случае возможно повреждение (в т.ч. необратимое) как батарей, так и питаемых устройств.

Li-Ion аккумуляторы EEMB серии LIR выпускаются в двух типах корпусов: таблеточный (другое название —

НИКЕЛЕВО-МЕТАЛЛГИДРИДНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Наибольшей популярностью пользуются никелевометаллгидридные (Ni-MH) аккумуляторы в стандартных корпусах АА и ААА. Максимальная емкость для корпуса АА составляет 2500 мА∙ч, для корпуса ААА — 850 мА∙ч. Рабочий диапазон температур: –10…50°С. Производитель гарантирует минимум 500 циклов «заряд/разряд» для этих аккумуляторов. Кроме приведенных в таблице 3, компания EEMB выпускает Ni-MH аккумуляторы в корпусах С, D и F. Максимальная емкость для корпуса F составляет 13 А∙ч при весе аккумулятора около 220 г. Увеличение емкости на 40% и более по сравнению с никелево-кадмиевыми (Ni-Cd) аккумуляторами, практически полное отсутствие «эффекта памяти» и экологическая безопасность (отсутствие кадмия) дают дополнительные преимущества при замене Ni-Cd аккумуляторов на никелевометаллгидридные. Основные параметры никелево-металлгидридных аккумуляторов EEMB сведены в таблицу 3. Области применения Ni-MH и Ni-Cd аккумуляторов очень близки. Благодаря низкой стоимости Ni-MH аккумуляторы используются в радиотелефонах, фонарях,

Таблица 2. Параметры популярных батарей серии СR (литий-диоксид марганца = Li-MnO2) Наименование CR1220

40

CR1620

70

CR2032

210

CR2330

260

CR2430

64

Uном., Номин. В емкость, мА∙ч

3,0

Ток разряда, мА, стандарт.

0,2

Ток разряда макс., мА Постоянный 1,0

5

12,5

2,0

10

16,0

15

20,0

0,4

270

3,2 3,0

20

CR2450

550

CR2477

850

0,4

2,0

10

CR2477T

1000

1,0

5,0

30

Высота, мм 2,0

23,0

3,0

0,5

Диаметр, мм

Импульсный

5,0

24,5

7,7

Вес, г 0,8 1,3 3,0 4,0 4,3 6,2 8,4 9,5

Таблица 3. Ni-MH (никелево-металлгидридные) аккумуляторы EEMB в корпусах АА и ААА Наименование Корпус Uном., В NH-AAA700 NH-AAA800

AAA

NH-AAA850 NH-AA1800 NH-AA2000 NH-AA2200 NH-AA2500

WWW.ELCP.RU

1,2 АА

Стандартный заряд Номин. емкость, мА∙ч Ток, мА Время , ч

Быстрый заряд Ток, мА

Время, мин 75

700

70

700

800

80

400

850

85

425

1800

180

2000

200

1000

2200

220

1100

2500

250

500

16

900

Диаметр, мм Высота, мм Вес, г

10,1

43,1

13

44,2 150

14,0

48,5

28 29

14,2 420

50,0

31 32

При одинаковой емкости литиево-полимерный аккумулятор легче, чем литиево-ионный. Это еще одно очень важное преимущество Li-Pol аккумуляторов. Несмотря на различие в электрохимических системах, метод заряда литиево-ионного и литиевополимерного аккумуляторов одинаков. Для достижения оптимальной работы Li-Ion/Li-Pol аккумуляторов необходимо использовать специальный алгоритм заряда. Один из возможных алгоритмов заряда представлен на рисунке 1. В приведенном на рисунке 1 алгоритме заряда аккумулятора весь цикл делится на три части: предварительный заряд, ограничение тока и ограничение напряжения. Красным цветом показано напряжение на аккумуляторе при заряде, синим цветом — ток заряда. Первый этап характерен тем, что позволяет плавно начать заряжать глубоко разряженные аккумуляторы. Второй этап заряда — основной. Заряд максимальным током происходит до тех пор, пока напряжение на аккумуляторе не достигнет 4,2 В на один элемент. При завершении второго этапа аккумулятор будет заряжен всего лишь на 70%. На третьем этапе заряд производится при стабилизированном напряжении. Поскольку напряжение на аккумуляторе в процессе заряда зафиксировано на уровне 4,2 В, то ток заряда постепенно уменьшается. Когда зарядный ток достигает примерно 3% от номинального значения, считается, что аккумулятор полностью заряжен. Не стоит забывать, что литиевые элементы питания чувствительны к температуре окружающей среды, поэтому при заряде этих аккумуляторов необходимо помнить и о температурном режиме. На сегодняшний день компания EEMB имеет очень большой перечень выпускаемых Li-Ion и Li-Pol аккумуляторов. Среди Li-Pol аккумуляторов большой популярностью пользуются LP052030-PCB-LD (емкость 230 мА∙ч) и LP383454-PCB-LD (емкость 750 мА∙ч). Они имеют не самые предельные характеристики среди выпускаемых Li-Pol аккумуляторов. Однако сочетание их параметров оказалось наиболее востребованным для отечественного рынка. Для аккумуляторов LP05230-PCB-LD гарантируется более 400 циклов заряд/разряд, для LP383454-PCB-LD — более 500 циклов. Количество циклов приведено при условии заряда током 1С (где C — емкость аккумулятора) и разряде при комнатной температуре.

Рис. 1. Рекомендуемые режимы заряда Li-Ion или Li-Pol аккумуляторов

кнопочный) и цилиндрический. Основные параметры и внешний вид аккумуляторов этой серии приведены в таблицах 4, 5. Максимальное значение емкости Li-Ion аккумуляторов призматического типа составляет 1800 мА∙ч при номинальном напряжении 3,7 В и весе корпуса около 41,2 г. Емкость аккумуляторов таблеточного типа достигает 200 мА∙ч при диаметре корпуса 30 мм и высоте 4,8 мм. Максимальную емкость 2100 мА∙ч среди цилиндрических Li-Ion аккумуляторов EEMB имеют популярные LIR18650 при весе около 45,0 г. Номинальное напряжение цилиндрических Li-Ion аккумуляторов имеет значение 3,7 В. ЛИТИЕВО-ПОЛИМЕРНЫЕ (LI-POL) АККУМУЛЯТОРЫ

Литиево-полимерные аккумуляторы (Li-Pol) — самые новые в литиевой технологии. Имея примерно такую же плотность энергии, что и традиционные Li-Ion аккумуляторы, литиево-полимерные устройства допускают производство в различных пластичных геометрических формах, нетрадиционных для обычных аккумуляторов, достаточно тонких по толщине и способных заполнять любое свободное пространство. При этом эффективность использования пространства повышается примерно на 20%.

Li-Pol аккумулятор конструктивно подобен Li-Ion, но имеет гелевый электролит. В результате стало возможным упрощение конструкции элемента, поскольку утечка гелеобразного электролита практически невозможна.

66

ВАРИАНТЫ ВЫВОДОВ БАТАРЕЙ И АККУМУЛЯТОРОВ

Батареи и аккумуляторы компании EEMB выпускаются с различными выводами для разных вариантов монтажа на

Таблица 4. Параметры Li-Ion аккумуляторов EEMB в корпусах таблеточного типа Наименование

Uном., В

Номин. емкость, мА∙ч

3,6

20 ± 5 25 ± 5 45 ± 5 120 ± 10 200 ± 10

LIR2016 LIR2025 LIR2032 LIR2450 LIR3048

Рекомендуемый ток заряда, мА Постоянный Импульсный

1С, мА

2С, мА

Размеры, мм Диаметр Высота 1,6 20,0 2,5 3,2 24,0 5,0 30,0 4,8

Вес, г 1,9 2,5 3,1 5,2 7,3

Таблица 5. Параметры популярных Li-Ion аккумуляторов EEMB в корпусах цилиндрического типа Наименование

Номин. емкость, мА∙ч

Импеданс, мОм

Размеры, мм Диаметр Длина

Вес, г

LIR14500

800

14,1

48,5

20,0

LIR17500

1100

16,8

49,5

29,0

48,5

33,0

64,5

45,0

LIR18500 LIR18650

WWW.ELCP.RU

Uном., В

3,7

1300; 1400 1800; 2000; 2100; 2200

≤80

18,2

печатную плату. Каждая версия выводов имеет свои буквенные обозначения. Наиболее популярные из них приведены на рисунках 2 и 3. На рисунке 2 показаны варианты выводов элементов питания таблеточного (кнопочного) типа; на рисунке 3 — цилиндрического типа. Если в наименовании отсутствует кодировка выводов, это означает, что элементы питания предназначены для установки в держатели батарей. АКТИВАЦИЯ ЛИТИЕВО-ТИОНИЛХЛОРИДНЫХ БАТАРЕЙ И ОСОБЕННОСТИ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Благодаря низкому току саморазряда литиевотионилхлоридные батареи имеют очень долгий срок хранения. Это свойство обеспечивается тонкой изолирующей пленкой хлорида лития, возникающей на поверхности литиевого электрода. Пленка образуется еще во время сборки элемента на конвейере предприятия-изготовителя из-за того, что литий вступает в химическую реакцию с тионилхлоридом. Образовавшаяся пленка останавливает реакцию и взаимодействие реагентов, существенно снижая ток саморазряда. Но есть и отрицательная сторона этого процесса — при подключении средней или максимально допустимой нагрузки к элементу питания наблюдается пониженное напряжение на контактах батареи. Номинальное напряжение у литиево-тионилхлоридных элементов при стандартном токе разряда должно быть немного меньше 3,6 В. Однако из-за образующейся изолирующей пленки напряжение на контактах батареи может уменьшиться до 2,3…2,7 В или даже ниже при очень длительном сроке хранения батарей. В процессе хранения толщина изолирующей пленки увеличивается, из-за чего снижается выходное напряжение и уменьшается разрядный ток. Этот процесс называется пассивацией литиевого элемента. Пассивация присутствует в продукции всех производителей литиевых источников тока без исключения, но не все производители предупреждают об этом своих клиентов. Наличие в первичных литиевых элементах изолирующей пленки эффективно сохраняет заряд в течение длительного времени, но пониженное выходное напряжение может нарушить нормальную работу прибора из-за невозможности обеспечить нормальную работу при среднем и высоком потреблении мощности от ХИТ. В результате батарея не может отдавать в нагрузку максимальную мощность, несмотря на то, что этот резерв энергии в ней имеется. Для некоторых разработчиков такое поведение источника питания — неожиданная катастрофа. Непонятно, как быть и что делать! Замена батареек на «новые», т.е. взятые со склада и не бывшие в эксплуатации ни одного часа, положительного результата может не дать. А проверка исправности прибора показывает, что со схемой все в порядке. Скорость возникновения пленки на поверхности литиевого электрода зависит от температуры. Чем выше температура хранения ХИТ, тем быстрее увеличивается толщина пленки, тем больше пассивируется литиевый источник тока. Кроме того, чем дольше батареи хранятся на складе, тем более толстая пленка образуется на поверхности литиевого электрода, тем в большей мере проявляется пассивация и больше выходное сопротивление ХИТ. К счастью, мощный токовый импульс позволяет полностью разрушить образовавшийся хлорид лития, но устройства с малым потреблением мощности с током потребления в несколько миллиампер (таких приборов очень много, если не большинство) не смогут в процессе работы разрушить изолирующую пленку и вывести элемент питания из режима пассивации. Поэтому литиево-тионилхлоридные батареи перед эксплуатацией необходимо вывести из режима пассивации. Процесс выведения из режима пассивации называется активацией или депассивацией.

Рис. 2. Варианты выводов элементов питания таблеточного (кнопочного) типа

Рис. 3. Варианты выводов элементов питания цилиндрического типа

На рисунке 4 проиллюстрирован процесс депассивации литиево-тионилхлоридных первичных элементов питания. Необходимо отметить, что пассивация характерна и для других типов литиевых источников тока, но для литиевотионилхлоридных элементов она наиболее выражена. К тому же, именно эти первичные источники тока наиболее востребованы из-за их высокой удельной емкости. На рисунке 4 зеленым цветом показано напряжение на элементе в отсутствие нагрузки. В момент времени t0 подключается определенная нагрузка на конкретный промежуток времени. При этом возникает импульсный ток, приводящий к резкому падению напряжения на источнике тока до уровня 2,4 В и даже ниже. Повышенный ток разрушает Таблица 6. Параметры для активации литиево-тионилхлоридных батарей EEMB Срок хранения/время активации Напряжение Наимено- Ток активации после активавание (макс.), мА 3 мес.

6 мес.

12 мес. ции, В ER14250

80

ER14505 ER17335 ER18505

200

ER20505 ER26500

260

ER34615

460

ER14505М ER17335M ER18505М ER26500М ER34615М

15 с

30 с

60 с

> 3,0

1000 2000 3000

Электронные компоненты №8 2010

67

Рис. 4. Характер изменения напряжения на контактах литиевого элемента в процессе активации

защитную пленку на поверхности литиевого электрода. После этого химическая реакция в элементе может происходить гораздо активнее. Окончанием процесса активации считается момент времени, при котором напряжение на ХИТ становится более 3,0 В. Ни в коем случае нельзя для активации делать короткое замыкание выводов элементов питания. Такой варварский метод воздействия резко снижает срок эксплуатации источников тока или просто выводит их из строя. Существуют рекомендованные производителем максимально допустимые значения тока активации литиево-тионилхлоридных батарей. В таблице 6 приведены максимально допустимые значения тока активации для некоторых Li-SOCL2 батарей компании EEMB. Значение этого тока равно удвоенному максимально допустимому рабочему току разряда. Оно не должно превышать значение максимального импульсного тока (оба этих параметра указаны в документации производителя). Читатель без труда вычислит ориентировочные значения токов активации и для других литиевотионилхлоридных батарей, наименования которых отсутствуют в таблице 6. На рисунке 5 для наглядного сравнения приведены типовые графики объемной плотности энергии батарей с разными типами электрохимических систем. Площадь под графиками характеризует энергию каждого типа батарей. Хорошо видно, что максимальными показателями по удельной емкости обладают литиево-тионилхлоридные батареи. Именно поэтому эти батареи завоевывают все большую популярность у разработчиков.

68

Рис. 5. Сравнение объемной плотности энергии батарей разных электрохимических систем ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Несмотря на существенные различия объемной плотности энергии, каждая электрохимическая система имеет свои преимущества и недостатки. Для некоторых приложений необходим широкий диапазон рабочих температур, для других — минимальная цена, для третьих — минимальные размеры ХИТ. И для каждого приложения компания EEMB предлагает свои батареи и аккумуляторы высокого качества по конкурентоспособным ценам. Быстрый выбор по параметрам батарей и аккумуляторов можно произвести с помощью параметрического поиска на сайте компании «Компэл» www.compel.ru. Задав параметры каждого фильтра, можно легко отфильтровать ненужные компоненты. Каждое найденное наименование — это активная ссылка. Нажатие на нее открывает новое окно, где указываются основные параметры, доступное количество на складе и цены в зависимости от приобретаемого количества. Для более быстрой работы параметрического поиска (скорость поиска увеличится в несколько раз) настоятельно рекомендуется установить бесплатный браузер Google Chrome. На сайте компании-производителя www.eemb.com приведен полный перечень выпускаемой продукции. Любую батарею или аккумулятор EEMB возможно приобрести у официального дистрибьютора-компании «Компэл». Наиболее популярные изделия EEMB поддерживаются на складе «Компэл» в Москве в промышленных количествах, а перспективные серии — в качестве образцов для новых разработок.

СОБЫТИЯ РЫНКА | ВЫСОКИЙ «ПОТЕНЦИАЛ» РОССИЙСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ | В рамках выставки «Потенциал-2010», которая входит в программу «Российской недели электроники», будут представлены программы и возможности отечественных учебных заведений по подготовке кадров для радиоэлектронной промышленности. Ведущие вузы Москвы и других городов готовы предложить предприятиям долгосрочные программы развития кадрового потенциала, курсы повышения квалификации, программы переподготовки персонала. В работе «Российской недели электроники» примут участие Московский институт электроники и математики, Тольяттинский государственный университет, Владимирский государственный университет, Казанский государственный университет, Дагестанский государственный университет, Мурманский государственный университет, Пензенская государственная технологическая академия и другие учебные заведения. «Российская неделя электроники» объединяет шесть выставочных мероприятий по разработке, производству, поставке компонентов и модулей радиоэлектронной аппаратуры, подготовке инженерных кадров для отрасли, продвижению продукции радиоэлектронного комплекса на отечественном и зарубежном рынках. Мероприятия пройдут 26—28 октября 2010 г. в Москве, в «Экспоцентре» на Красной Пресне. Тел. оргкомитета «Российской недели электроники»: +7 (495) 287-44-12. www.RussianElectronicsWeek.ru

WWW.ELCP.RU

Источники питания PEAK для портативной электроники СЕРГЕЙ КРИВАНДИН, технический руководитель направления «Источники питания», ЗАО «Компэл»

В статье приведены обзорные сведения о компактных AC/DC-модулях PEAK мощностью 1,6…25 Вт для монтажа на печатную плату и даны рекомендации по их включению. Эти модули находят применение в портативных промышленных приборах с сетевым 220 В/50 Гц питанием. Германская компания PEAK electronics GmbH, хорошо известная на российском рынке, выпускает следующие модули питания: – DC/DC-преобразователи мощностью 0,25…60 Вт в стандартных корпусах для монтажа на печатную плату; – импульсные стабилизаторы PSR (Peak Switching Regulator) с выходным током 0,5 или 1 А в корпусах SIP или SMD, – модульные DC/DC-драйверы светодиодов с выходным током 300…1200 мА в зависимости от модели; – сетевые AC/DC источники питания мощностью 1,6...25 Вт для монтажа на печатную плату. Компания расширила линейку мощностей AC/DC-преобразователей 5, 10, 15 или 20 Вт в сторону меньших мощностей (1,6…3 Вт) и в сторону большей мощности (25 Вт), отвечая рыночному спросу на компактные источники питания для приборов и устройств портативной электроники.

AC/DC источники питания серии PPM выпускаются в малогабаритных корпусах для монтажа на печатную плату, имеют универсальный вход 85…264 В переменного тока или 120…370 В постоянного тока, что позволяет использовать их в сетях постоянного или переменного напряжения и в приборах с универсальным питанием. Имеются модели с различными вариантами выхода: это одиночный выход, двуполярный выход со средней точкой, сочетание однополярного и двуполярного (в модуле с тремя выходами), два изолированных выхода. Такое разнообразие вариантов обеспечивает разработчику необходимую гибкость при организации питания портативного прибора. Основные параметры модулей PPM: – выходная мощность 1,6…25 Вт; – выходное напряжение 3,3…24 В; – входное напряжение 85…264 В переменного тока или 170…370 В постоянного тока; – диапазон частот входной сети 47…440 Гц; – миниатюрные размеры; – электрическая прочность изоляции 3 кВ (1 кВ у PPMxx-S12-xxELF); – низкий уровень пульсаций и шумов: 100 мВ (макс.), 50 мВ (тип.); – диапазон рабочих температур –25…70ºC (–40…85ºC у PPMxx-S12-xxELF); – диапазон температур хранения –25…105ºC (–40…125ºC у PPMxx-S12-xxELF);

– комплекс защит от короткого замыкания, перегрузки по току и по напряжению. Достаточно широкий диапазон рабочих температур –25…70ºC позволяет использовать источники питания PPM в аппаратуре самого различного назначения. Благодаря малой массе корпусов (10…125 г — у моделей 1,6…25 Вт) эти источники питания являются хорошим выбором при построении портативных переносных приборов. Варианты серий, мощностей и корпусов приведены в таблицах 1 и 2, а внешний вид показан на рисунке 1. Основные технические параметры AC/DC-преобразователей напряжения PEAK (корпус, мощность, выход) зашифрованы в наименовании (партномере). Расшифровка приведена в таблице 3. Например, PPM3-S12-15ELF — AC/DC-модуль PEAK номинальной мощностью 3 Вт в корпусе типа SIP12 с одним выходом 15 В в бессвинцовом исполнении. На рисунке 2 приведены примеры схем включения модулей. Организация входной цепи зависит от мощности и конструктивного исполнения. Модули мощностью 5…25 Вт являются полностью законченными импульсными источниками питания, которые можно применять «как есть». Рекомендуется подключить на вход предохранитель (см. рис. 2а). При жестких требованиях к подавлению помех на вход преобразователя можно подключить фильтр, схема которого приведена на рисунке 2б внутри штриховой линии. Включение модулей 1,6…3 Вт, реализованных в

69

Рис. 1. Компактные источники питания PEAK мощностью 1,6…25 Вт Таблица 2. Размеры корпусов источников питания PEAK мощностью 5…25 Вт

Таблица 1. Варианты серий источников питания PEAK Серия Мощность Выход Варианты выходного напряжения, В Размеры или тип корпуса, мм PPMxx-S12-ELF 1,6…3 одиночный 3,3; 5; 9; 12; 15; 24 34×9,5×22 PPM03-S-ELF 2,3…3 одиночный 3,3; 5; 9; 12; 15; 24 37×23×15 PPMxx-x-ELF 5…25 одиночный 3,3; 5; 9; 12; 15; 24 PPMxx-x-ZLF 5…20 двуполярный ±5; ±12; ±15; ±24 A, B, C, D (см. табл. 2) PPMxx-x-DLF 5…20 3 выхода: одиночный и двуполярный (5, ±5); (5, ±12); (5, ±15); (5, ±24) PPMxx-x-ZSLF 5…20 2 изолированных (5, 5); (5, 12); (5, 15); (5, 24)

Условное обозначение Размеры, мм корпуса модулей PEAK A

48,5×36×20,5

B

55,0×45×20,5

C

62,0×45×22,5

D

70,0×48×23,5

Электронные компоненты №8 2010

а)

б) Рис. 2. Примеры включения модулей PPM: а) мощностью 5…25 Вт, с двуполярным выходом, б) мощностью 1,6…3 Вт, с одиночным выходом и фильтром ЭМИ на входе Табл. 3. Система обозначений AC/DC-преобразователей напряжения PEAK PPMY PPM — PEAK Power Module, силовой модуль PEAK, Y — мощность, Вт

PPMY-X-ZZaE ZZ a Выходное Количество выходов: напряжение (DC): S12 — SIP12 E (Ein — нем.) — S — DIP26 3,3 — 3,3 В один A, B, C, D — 05 — 5 В Z (Zwei –нем.) — два типа DIP 09 — 9 В ZS (Zwei Separat) — 12 — 12 В два изолированных 15 — 15 В D (Drei –нем.) — три 24 — 24 В выхода 48 — 48 В X Тип корпуса:

E LF — Lead Free, бессвинцовое исполнение

миниатюрных корпусах типа SIP12 или DIP26, несколько отличается от схемы включения модулей 5…25 Вт. Для их корректного функционирования между соответствующими выводами, указанными в фирменных описаниях, необходимо подключить конденсатор фильтра входного выпрямителя, как показано на рисунке 2б. Это электролитический

конденсатор C1 (10 мкФ/400 В или 4,7 мкФ/400В в зависимости от модели). На входе преобразователей 1,6…3 Вт рекомендуется включать фильтр электромагнитных помех, предохранитель 0,5 А/250 В и варистор RU1. Фильтр электромагнитных помех реализуется по типичной схеме, рекомендуемые параметры конденсаторов и дросселя приведены в фирменном описании модуля. Для защиты входа преобразователя от скачков напряжения и помех из сети служит варистор. В фирменном описании рекомендован 471KD05, который можно заменить варистором FNR-05K471 со склада «Компэл». На выходе модуля рекомендуется для фильтрации помех подключать конденсаторы и защитные диоды D1, D2 (ограничители импульсного напряжения) P6KE. Конденсаторы C1 (см. рис. 2а) и C2 (см. рис. 2б) — электролитические, желательно использовать высокочастотные и с малым эквивалентным сопротивлением; конденсаторы C2 (см. рис. 2а) и С3 (см. рис. 2б) — керамические. Рекомендуемые фирмой-производителем параметры внешних компонентов приведены в фирменном описании. Новые и популярные источники питания серии PPM компании PEAK для монтажа на печатную плату имеют параметры, востребованные разработчиками портативной аппаратуры. Модули PPM имеют очень широкую область применения: – одноплатные приборы; – портативные переносные приборы; – промышленное или телекоммуникационное оборудование. Фирменные описания с рекомендованными схемами включения и параметрами внешних компонентов можно скачать с сайта официального дистрибьютора PEAK — компании «Компэл» (http://www.compel.ru) или с сайта компании PEAK (http://www.peak-electronics.de). Кроме того, напомним, что сайт http://www.compel.ru — эффективный инструмент разработчика электронной техники и снабженца производства. На сайте «Компэл» реализованы параметрический поиск компонентов и модулей, автоматическое определение аналогов и происходит постоянное обновление информации. Важно, что на сайте указывается наличие товара на складе в Москве, на удаленных складах и цены изделий в зависимости от объема партии. Источники питания PPM постоянно поддерживаются на складе «Компэл» в Москве, их можно оперативно заказать у менеджеров по продажам.

СОБЫТИЯ РЫНКА

70

| MAXIM ПОДПИСАЛ ДИСТРИБЬЮТОРСКОЕ СОГЛАШЕНИЕ С ГК «СИММЕТРОН» | Maxim Integrated Products, ведущий производитель аналоговых и аналого-цифровых полупроводниковых приборов, объявил о новом франчайзинговом дистрибьюторе в России, Украине и Белоруссии — ГК «Симметрон». Соглашение действует с 1 сентября 2010 г. и, укрепляя присутствие Maxim на рынках этих стран, делает высокопроизводительные инженерные решения компании более доступными для разработчиков. Решения Maxim адресованы широкому кругу заказчиков в области бытовой электроники, связи, компьютерной техники, промышленной электроники, медицинской техники и автоэлектроники. «Соглашение с «Симметроном» обеспечит дальнейшее усиление позиций Maxim на российском рынке», — отметил Уолтер Сангалли, управляющий директор Maxim по продажам и применению в Европе. — Высокий технический уровень и широкие связи компании «Симметрон» с ключевыми клиентами в различных сегментах рынка электроники обеспечат инженерам-разработчикам лучший доступ к инновационным решениям Maxim». Андрей Огневский, вице-президент группы компаний «Симметрон» прокомментировал это событие так: «Мы рады, что добавляем лидирующие аналоговые и аналого-цифровые решения компании Maxim в нашу программу поставок. Партнество с хорошо известным производителем заметно укрепляет позиции «Симметрона» в растущем сегменте промышленной электроники и предоставляет преимущества нашим заказчикам благодаря применению передовых интегральных решений Maxim. Мы ожидаем значительного роста оборота за счет новых возможностей, которые открывает это соглашение». www.symmetron.ru

WWW.ELCP.RU

Катодная защита объектов с применением программируемых источников питания TDK-Lambda ЕВГЕНИЙ РАБИНОВИЧ, инженер, TDK-Lambda

В статье рассматриваются методы катодной защиты трубопроводов и других металлических объектов и конструкций от коррозии. Представлен принцип работы системы автоматической катодной защиты CPAC, в которой используются программируемые источники питания TDK-Lambda серии ZUP.

72

Еще со времен бронзового века известно, что металл — не долговременный материал, если он попадает в такие среды как почва или вода. Позже, в 1824 г., британский исследователь Хэмфри Дэйви нашел способ защиты омедненных корпусов кораблей королевского флота от коррозии с помощью брусков цинка. Сегодня, в век массового применения железа, стали и других сплавов, коррозия металлоконструкций, к которым относятся морские сваи, шельфовые нефтяные установки, шлюзовые ворота, подземные нефте- и газопроводы, наносит огромный вред промышленности. Расходы на восстановление металлических конструкций, пострадавших от коррозии, иногда превышают их стоимость или затраты на проектирование. Почти треть аварий на трубопроводах случается по причине коррозии. Чтобы бороться с этим явлением, необходимо полное понимание его опасности и принятие специальных мер на этапах проектирования, строительства и эксплуатации. Что представляет собой процесс коррозии? Рассмотрим вкратце механизм гальванической коррозии (существует еще так называемая электролитическая коррозия, которая происходит при наличии внешнего источника разности потенциалов). Коррозия происходит при: – наличии в металле двух участков с разными энергетическими уровнями; – наличии электролитической среды. Причиной энергетической неоднородности могут служить резьбовые нарезки, сколы, царапины и другие макро- и микро- нарушения на поверхности металла. Классическим примером электролита служит почва или морская вода. Итак, как показано на рисунке 1, при перечисленных условиях в более активной области высвобождаются электроны и образуются ионы железа:

Процесс коррозии может также происходить при наличии двух разных металлов с разными энергиями или в условиях неоднородности в электропроводимости почвы (которая в данном случае служит электролитом), ее влажности или концентрации кислорода. Чтобы защитить объекты от разрушения используется несколько методов. Мы рассмотрим два из них. Первый — это так называемая протекторная защита. Этот метод основан на использовании специальных анодов: к защищаемой конструкции присоединяют более электроотрицательный металл — протектор, который, растворяясь в окружающей среде, защищает от разрушения основную конструкцию. После полного растворения протектора или потери контакта с защищаемой конструкцией протектор необходимо заменить. Протекторными материалами обычно служат цинк, алюминий или магний. Часто для придания протекторам лучших эксплуатационных качеств в их состав вводят легирующие элементы. В состав цинковых протекторов вводят Cd (0,025—0,15%) или Al (0,1—0,5%), в состав алюминиевых — Zn (до 8%) и Mg (до 5%), в состав магниевых — Al (5—7%) и Zn (2—5%). Из этих материалов изготавливают бруски, которые обычно закрепляют на защищаемой поверхности, например, корпусе судна (см. рис. 2). Атомы анодного металла (например, цинка) более активно отдают электроны, благодаря чему повышается потенциал поверхности защищаемого образца (корпуса), и на всех его участках протекают только катодные процессы. А анодные процессы — рекомбинация с гидроксилионами и образование ржавчины — перенесены на защищающий электрод, который таким образом «жертвует собой». Поэтому иногда такую защиту называют «жертвующей», а сам протектор — «жертвующим». Второй вид защиты обычно называется «защита внешним током» или «защита наложенным током». Его приме-

2 Fe → 2 Fe++ + 4 e–. Электроны перетекают в более пассивную зону, где ионизируют атомы кислорода и, при наличии воды, образуют гидроксильные ионы: O2 + 4e– + 2 H20 → 4 OH–. Затем в активной области происходит следующая рекомбинация (ионов железа и гидроксил-ионов) и образуется гидроксид железа, который и представляет собой ржавчину: Fe

WWW.ELCP.RU

+ 2 OH → Fe(OH)2

Рис. 1. Механизм гальванической коррозии на поверхности металла

няют для защиты оборудования из углеродистых, низко- и высоколегированных и высокохромистых сталей, олова, цинка, медных и медно-никелиевых сплавов, алюминия, свинца, титана и их сплавов. В этом случае необходим внешний источник питания. Энергия источника тока идет на перемещение зарядов по цепи, показанной на рисунке 3. Источник постоянного тока дает на зажимах напряжение Ерасч, необходимое для защиты определенного участка трубопровода. Ток (отрицательные заряды) от отрицательного полюса по проводу с сопротивлением R1 попадает на защищаемую трубу, сопротивление которой R2. Затем следует переходное сопротивление между трубопроводом и грунтом R3, которое тем больше, чем в лучшем состоянии находится изоляция трубопровода.

R4 — сопротивление грунта на пути между трубопроводом и анодным заземлением (в большинстве случаев незначительно). С положительного полюса источника ток (положительные носители) по проводу сопротивлением R7 попадает на анодное заземление сопротивлением R6, которое обычно мало и им пренебрегают. Далее следует сопротивление растеканию тока с заземлителя в окружающий грунт R5, которое тем меньше, чем больше сопротивление заземлителя. Для прекращения коррозии стальной конструкции ее необходимо заполяризовать до равновесного потенциала железа в данном электролите. При втекании тока в защищаемый объект его потенциальный уровень повышается. В этой статье мы не будем вдаваться в особенности расчета и оценки защитного потенциала. Практика защиты подземных объектов показала, что для защиты трубопроводов создаваемые на трубе потенциалы, измеренные по медно-сульфатному электроду, должны быть в пределах: –0,85…–1,2 В. Например, в СССР по ведомственным инструкциям рекомендовался минимальный защитный потенциал для сталей: –0,87 В, а в некоторых других странах: –0,85 В. При отрицательном потенциале выше –1,2 В может наблюдаться перезащита. При этом интенсивно происходит катодная реакция, и в результате выделения атомарного водорода на поверхности трубы нарушается адгезия изоляции и происходит охрупчивание или разрушение стали. Материал анода в данном случае другой, в случае морской коррозии — это плакированная платиной медь, сплав серебра с 2% Pb, платинированные титан или ниобий, а также хлорсеребряные электроды. В случае подземных объектов протекторные аноды могут быть изготовлены из стали, чугуна, графита или графитопластов, ферросилицида, платинированного титана или железокремниевых сплавов (иногда с добавлением хрома). Для определения эффективности катодной защиты трубопроводов необходимо каким-то образом определять характер и скорость электрохимических процессов. Для этого применяются электроды сравнения. С их помощью измеряется скачок потенциала на границе «защищаемый объект — электролит». Поляризационный потенциал измеряется и передается на станцию катодной защиты или чаще всего измеряется на специально оборудованном контрольно-измерительном пункте. Пример устройства станции катодной защиты показан на рисунке 4. У этого метода нужно отметить следующие преимущества: – одна установка может защищать конструкцию на большом протяжении; – ток можно регулировать, и приспосабливать систему к разным окружающим факторам; – обеспечивается возможность эффективной защиты даже объектов без защитных покрытий.

Рис. 2. Протекторные аноды на поверхности судна

Рис. 3. Электрическая схема катодной защиты внешним током

Рис. 4. Организация станции катодной защиты

Один из производителей современных систем автоматической катодной защиты — израильская компания Formtest Solutions — разработала систему CPAC (Cathodic Protection Adaptive Control System, см. рис. 5). Система состоит из трех основных блоков: блок управления, сенсорный блок и модули питания. Сенсорный блок подсоединен к измерительным электродам и принимает сигнал о номинале напряжения на них. Каждый модуль способен принять сигнал от 80 электродов, а количество модулей в системе не ограничено, поэтому при помощи одной такой системы можно контролировать процессы защиты от коррозии на очень большом участке. Блок довольно компактен, имеет прочный металлический корпус и способен передавать сигнал по LAN-интерфейсу через медный либо оптоволоконный кабель. Блок управления — это компьютеризированный модуль, синхронизирующий работу всей системы. Он

Электронные компоненты №8 2010

73

Рис. 5. Система автоматической катодной защиты CPAC компании Formtest Solutions

получает обработанные сигналы с электродов сравнения, применяет надлежащий для каждого анода алгоритм и подает команду блокам питания. Каждый модуль питания содержит 32 независимых источника питания. При проектировании системы CPAC было принято решение об использовании программируемых источников питания TDK-Lambda серии ZUP (см. рис. 6). Серия ZUP (сокращение от Zero Up) включает модели мощностью 200…800 Вт и с выходными напряжениями в диапазонах 0–6…0–120 В. Они имеют ЖК-индикаторы

74

Рис. 6. Программируемые источники питания серии ZUP компании TDK-Lambda

текущих показаний тока и напряжения, что в данной системе дает возможность контролировать выдаваемое напряжение не только программно, но и визуально через прозрачную панель шкафа модуля питания. Модули ZUP имеют широкий входной диапазон 85…265 В, и могут получать задание выходных параметров как непосредственно с передней панели, так и дистанционно через аналоговый, RS-232 или GPIB-интерфейс. Модули имеют также целый ряд дополнительных функций: защиты, запоминания последних настроек, возможности параллельной работы, внешней обратной связи и т.д. Их размер позволяет установить в стандартном (шириной 19 дюймов) корпусе до 6 источников, что делает применение блоков незаменимым в системах, где требуется независимое управление большим количеством выходов. Как уже было отмечено, последствия почвенной коррозии могут быть самыми разнообразными: от прямого экономического ущерба, связанного с потерей добываемого продукта, временным выводом из эксплуатации технического средства, затратами на ремонтновосстановительные работы до крупных техногенных и экологических катастроф. Опыт применения катодной защиты показал, что срок службы трубопроводов и других металлоконструкций, находящихся в коррозийносопутствующих средах, можно увеличить в несколько раз. Внедрение высокотехнологичных станций катодной защиты, подобных описанной в этой статье системе CPAC с использованием программируемых выпрямителей ZUP, значительно повышает эффективность катодного метода и является экономически и экологически целесообразным.

ЛИТЕРАТУРА 1. Рахманкулов Д.Л. Современные системы защиты от электрохимической коррозии подземных коммуникаций. — Уфа, Реактив, 1999.

2. Бондаренко А.В. Современные средства катодной защиты подземных трубопроводов от почвенной коррозии. — М., ИРЦ Газпром, 2004.

3. Семенова И.В. Коррозия и защита от коррозии//Учеб. Пособие. — Физматлит, 2002 4. Улиг Г.Г. Коррозия и борьба с ней//Введ. в корроз. науку и технику. — Л: Химия. Ленингр. отд-ние, 1989.

5. Бакстер Д., Бриттон Д. Offshore catodic protection: what is it and how does it work?//Deepwater Corrosion Services, 2006.

WWW.ELCP.RU

МИКРОСХЕМА РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ С ПРОТОКОЛОМ ОБМЕНА ISO-15693 НИКОЛАЙ АВДЕЕВ, ведущий инженер АНАТОЛИЙ БЕЛОУС, зам. директора по научно-технической работе, д.т.н., проф. ВИКТОР ЗАЙЦЕВ, инженер АЛЕКСАНДР КОЛБ, инженер, филиал НТЦ «Белмикросистемы» ОАО «Интеграл»

В статье речь пойдет о разработке микросхемы радиочастотной идентификации — IZ2817 с протоколом обмена ISO-15693, предназначенной для использования в приложениях с рабочей частотой 13,56 МГц с функцией чтения и записи данных и поддержкой протокола обмена в соответствии с международным стандартом на бесконтактные карты ISO-15693. В соответствии с этим стандартом в микросхеме реализована поддержка функции антиколлизии, что делает возможным одновременное считывание нескольких карт, находящихся в поле считывающего устройства. Функция антиколлизии основана на индивидуальном серийном номере микросхемы, называемым также уникальным идентификатором (UID). UID микросхемы IZ2817 имеет длину 8 байт. Уникальный номер микросхемы не может быть изменен пользователем, программируется для каждого кристалла на этапе производства, что гарантирует уникальность каждого устройства. Передача данных от считывающего устройства к карте может осуществляться с использованием принципа

10 или 100%-й амплитудной модуляции радиочастотного поля, формирующего паузу в следовании несущей частоты. Одна пауза в несущей кодирует два бита данных или один байт, что соответствует двум разным кодировкам данных, передаваемых от считывателя к метке. Данные от карты к считывающему устройству передаются посредством амплитудной модуляции несущей частоты. Для контроля целостности данных при передаче используется циклический избыточный код CRC с образующим полиномом x16+x12+x 5+1. В микросхеме реализована 1024-разрядная программируемая память, часть которой доступна пользователю для перезаписи, чтения и блокировки.

Имеется и не доступная пользователю часть памяти, которая содержит служебные данные. Структурная схема микросхемы IZ2817 представлена на рисунке 1. Микросхема состоит из блоков: 1024-разрядного ЭСППЗУ, аналогового блока радиочастотного интерфейса и блока управления. Питание и данные передаются через антенну, которая состоит из нескольких витков, подключенных к кристаллу. Нет необходимости в дополнительной внешней емкости, т.к. резонансная емкость реализована на кристалле. Радиочастотный интерфейс обеспечивает напряжение питания микросхемы, вырабатывает сигнал сброса по включению питания, выдает синхросиг-

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

75

Рис. 1. Структурная схема микросхемы IZ2817

Электронные компоненты №8 2010

Рис. 2. Граф переходов из состояния в состояние

налы, производит модуляцию и демодуляцию передаваемых и принимаемых данных соответственно. Цифровой блок управления обеспечивает связь между различными блоками, выполняющими функции антиколлизии, интерпретатора команд, управления доступом к ЭСППЗУ. Данные хранятся в ЭСППЗУ. Микросхема содержит блок ЭСППЗУ, объемом 1024 бит, организацией в 32 блока. В свою очередь каждый блок состоит из четырех байт или 32 бит. Блок является наименьшей адресуемой частью. Нумерация блоков проводится от нулевого до тридцать первого. Блоки от нулевого по двадцать седьмой являют-

ся пользовательскими. В них хранится информация, записанная пользователем. Блоки с номером от двадцать восьмого по тридцать первый хранят служебную информацию, в них хранится уникальный номер, блоки зашиты данных и биты блокировки. Команды, подаваемые считывателем, обрабатываются интерпретатором команд, при этом осуществляется проверка внутреннего состояния (см. рис. 2) микросхемы и вырабатываются соответствующие ответы. Микросхема может находиться в четырёх состояниях: Power-off (питание выключено) — находится в этом состоянии, когда карточка вне поля устройства чтения;

Таблица 1. Коды команд

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

76

Код команды '01' '02' '20' '21' '22' '23' '25' '26' '27' '28' '29' '2A' '2B'

Тип Обязательные Обязательные Параметрические Параметрические Параметрические Параметрические Параметрические Параметрические Параметрические Параметрические Параметрические Параметрические Параметрические

'2C'

Параметрические

'A0' 'A1' 'A2' 'A3' 'A4' 'A5'

Общие Общие Общие Общие Общие Общие

WWW.ELCP.RU

Выполняемая функция Inventory (инициализация) Stay Quiet (замолчать) Read Single Block (чтение одного блока) Write Single Block (запись одного блока) Lock Block (блокировка блока) Read Mult Block (чтение нескольких блоков) Select (выбрать) Reset To Ready (сброс в готовность) Write AFI (запись AFI) Lock AFI (блокировка AFI) Write DSFID (запись DSFID) Lock DSFID (блокировка DSFID) Get Sys Information (получить системную информацию) Get Mult Block Security Status (получить значение битов блокировки) Inventory Read (инициализация + чтение) Fast Inventory Read (быстрая инициализация + чтение) Set EAS (установить EAS) Reset EAS (сбросить EAS) Lock EAS (заблокировать EAS) Alarm EAS (проверить EAS)

Ready (готова) — карточка в поле устройства чтения и отвечает на любой запрос, где не установлен флаг select_ flag; Quiet (молчание) — карточка отвечает на любой запрос, где inventory_ flag не установлен, и где установлен address_flag; Selected (в состоянии выбрана) — только карта в состоянии Selected отвечает на запросы с флагом select_flag. Для всех микросхем обязательна поддержка состояний Power-off, Ready, Quiet. Поддержка состояния Selected определяется устройством чтения. Используются команды четырех типов: Mandatory (обязательные) 0х01 — 0х1F — все микросхемы должны их поддерживать.

Optional (параметризованные) 0х20 — 0х9F — выбираемые устройством чтения. Микросхемы могут их поддерживать или нет. Если поддерживают, тогда на запросы, содержащие такие команды, отвечают в соответствии с полученной командой, если нет, то не отвечают. Если микросхема не поддерживает эти команды и флаг адреса или выбора установлен, то она может послать ответ, содержащий код ошибки («Не поддерживается») или молчать, если оба флага установлены или оба не установлены. Если команда содержит другую опцию-флаг и микросхема может ее обработать, тогда она должна в ответе послать соответствующий код ошибки.

Custom (общие) 0хA0 — 0хDF — микросхемы поддерживают их, а также их опции с добавленными производителем специальными функциями. Дополнительные флаги не изменяют значений существующих флагов, а только общие поля и поля данных. Первое поле любой общей команды обязательно содержит код изготовителя. Это позволяет изготовителю использовать эти команды без риска повторения кода другой команды. Если микросхема не поддерживает такую команду, она должна послать ответ, содержащий код ошибки или молчать. Если команда содержит другую опцию-флаг, и микросхема может ее обработать, тогда она должна в ответе послать соответствующий код ошибки. Рroprietary (собственные) 0хE0 — 0хFF — эти команды используются только изготовителем для разных задач, таких как тестирование, программирование системной информации и т.д. Предприятие может документировать их опции по своему усмотрению. Обычно эти команды деактивируются после изготовления устройства и/или его тестирования. В таблице 1 приведен перечень кодов команд и их названиефункция.

Рис. 3. Формат кодирования 1–256

Рис. 4. Формат кодирования 1 из 4

Для завершения работы с картой необходимо вынести команду из поля считывателя или отправить команду молчания. После этого считывающее устройство может приступить к обслуживанию других карт, находящихся в поле, либо анализировать поле на предмет появления в нем новых карт. СКОРОСТЬ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ И КОДИРОВАНИЕ ДАННЫХ

Микросхема имеет высокую скорость передачи данных — до 53 кбит/с. Для передачи входных данных используется модуляция определённой позиции несущего сигнала. Микросхемы поддерживают два вида кодировки входных данных. Выбор кодировки определяется считывателем, который сигнализирует о своем выборе с помощью SOF. ФОРМАТ КОДИРОВАНИЯ ДАННЫХ 1 ИЗ 256

Значение одного байта определяется положением паузы. Позиция паузы при кодировании 1 из 256, соответствующая интервалу времени 256/Fc (~18,88 мкс), определяет значение байта. При таком кодировании один байт передается за 4,833 мс, и скорость передачи данных равна 1,65 кбит/с (Fc/8192). После последнего байта данных подаётся EOF, который сигнализирует о конце пере-

дачи данных. На рисунке 3 изображен пример кодирования 0х0E (0b11100001 или 225). Пауза должна быть равна половине интервала, определяющего значение получаемого байта. ФОРМАТ КОДИРОВАНИЯ ДАННЫХ 1 ИЗ 4

Позиция паузы при кодировании 1 из 4 определяет значение двух бит (см. рис. 4). Четыре интервала определяют значение пары бит из байта, младшая значимая пара бит которого передается первой. В итоге скорость передачи данных 26,48 кбит/с (Fc/512). Фреймы предназначены для упрощения синхронизации и использования протокола. Фреймы должны начинаться с SOF и заканчиваться EOF и использовать кодирование данных, а также не использовать опций RFU. Микросхема должна быть готова получить следующий фрейм спустя 300 мкс после отправки фрейма считывателю, а также следующий фрейм спустя 1 мс после внесения ее в поле считывателя. На рисунке 5 описаны два вида SOF, а также EOF, который для всех форматов кодирования выглядит одинаково. ФОРМАТ СИГНАЛОВ ОТВЕТА МИКРОСХЕМЫ

Карточка должна осуществлять связь со считывателем благодаря эффекту

Электронные компоненты №8 2010

77 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Для обнаружения карт в поле считывающее устройство посылает команду Inventory. При попадании карты в поле считывателя, карта должна принять команду Inventory и, если совпадает значение маски, переданное в команде, выдать ответ, содержащий уникальный номер карты. Если в поле находится несколько карт, то они синхронно отвечают на запрос. Считывающее устройство по ответу определяет тип карты и часть номера, полученного без коллизии. Далее по алгоритму обработки коллизии считыватель посылает запрос, содержащий новое значение маски, до тех пор, пока единственная карта не ответит на запрос. Данная команда позволяет выбрать для работы одну карту при одновременном нахождении в зоне приема считывателя нескольких карт. В процессе выполнения команды считыватель определяет уникальный номер карты, с которой будет в дальнейшем продолжать работу. После определения уникального номера карты считывающее устройство в зависимости от выполняемых задач может посылать команды чтения, записи, блокировки и любую другую команду. Если эти команды будут содержать уникальный номер, то команду выполнять будет только одна карта. Если после команды Inventory следует команда Select, то микросхема, уникальный номер которой совпал с номером, полученным в запросе, переходит в состояние Selected, и любые последующие команды, не содержащие уникальный номер, будет выполнять только эта карта. Команда записи блока Write Single Block позволяет записывать один блок пользовательских данных. Команда чтения блока Read Single Block позволяет считывать один блок пользовательских данных. Ещё существует возможность использовать ускоренную команду чтения и инициализации Fast Inventory Read. Она представляет собой сдвоенную команду, используется для выделения одной карточки в поле считывателя и одновременно — для считывания блоков данных этой карточки. Команда Stay Quiet переводит микросхему в состояние молчания, в котором она не отвечает на запросы, пока не выйдет из этого состояния. Команда Lock Block позволяет заблокировать записанное значение блока для защиты от попыток изменения записанных данных. Микросхема поддерживает также обработку кода электронного контроля выполнения команд, код семейства приложений, характеризующий область применения карты. Эти функции защиты используются в командах: Write AFI, Lock AFI, Write DSFID, Lock DSFID, Set EAS, Reset EAS, Lock EAS, Alarm EAS.

зовать еще и режим с двумя поднесущими на частоте Fc1 (423,75 кГц) и Fc2 (484,28 кГц). Микросхема поддерживает высокую скорость передачи данных (High). Стандарт позволяет использовать две скорости передачи — High и Low. Микросхема IZ2817 в любом случае будет отвечать только с высокой скоростью передачи данных. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ БИТОВ И КОДИРОВАНИЕ

Рис. 5. Кодирование стартовых и конечного фрейма

Рис. 6. Формат кодирования 1 и 0 ответа микросхемы

Рис. 7. Стартовый и конечный фреймы ответа микросхемы

индуктивной связи в переменном электромагнитном поле, где на основе несущей получают поднесущую частоту, на которой и выдается ответ от микросхемы. Выходная амплитуда модуляции не должна превышать 10 мВ при тестироваБЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

78

нии способом, описанным в International Standard ISO/IEC 10373-7. В микросхеме используется формат кодирования выходных данных с одной поднесущей на частоте Fc/32 (423,75 кГц). Стандарт позволяет исполь-

Данные кодируются с использованием кодировки Manchester (см. рис. 6) по следующей схеме: – логический 0 начинается с восьми импульсов на частоте Fc/32 (~423,75) кГц, далее следует интервал без модуляции 256/Fc (~18,88 мкс); – логическая 1 начинается с интервала без модуляции 256/Fc (~18,88 мкс), далее следует восемь импульсов на частоте Fc/32 (~423,75) кГц. Далее приведены фреймы ответа микросхемы при использовании одной поднесущей. SOF и EOF изображены на рисунке 7.

SOF состоит из трех частей: – интервал без модуляции 768/Fc (~56,64 мкс); – 24 импульса на частоте Fc/32 (~423,75 кГц); – логическая 1, которая начинается с интервала без модуляции 256/Fc, что составляет ~18,88 мкс, далее следуют восемь импульсов на частоте Fc/32 (~423,75 кГц).

EOF состоит из 3 частей: – логический 0 начинается с восьми импульсов на частоте Fc/32 (~423,75 кГц), далее следует интервал без модуляции 256/Fc (~18,88 мкс); – 24 импульса на частоте Fc/32 (~423,75 кГц); – интервал без модуляции 768/Fc (~56,64 мкс). Связь между считывателем и карточкой осуществляется на основе принципа модулирования несущего сигнала. Используются два вида модуляции — 10 и 100%. Микросхема поддерживает оба вида модуляции.

НОВОСТИ МУЛЬТИМЕДИА И ТЕЛЕКОМ | СИНТЕРРА-МЕДИА ПОДГОТОВИЛА ПАКЕТ HD КАНАЛОВ ДЛЯ СИБИРСКИХ КАБЕЛЬНЫХ ОПЕРАТОРОВ | «Синтерра Медиа» вводит для своих партнеров — региональных операторов ТВ и ISP-провайдеров новую услугу по подаче пакетов телеканалов в формате HD по наземной сетевой инфраструктуре. Предполагается, что предложение заинтересует прежде всего операторов за Уралом, где не виден спутник Eurobird 9А, с которого сейчас на Россию распространяется самое большое количество телеканалов высокой четкости. «Синтерра Медиа» приступила к подаче до региональных операторов первого HD-мультиплекса, включающего следующие телеканалы: «Эксперт ТВ» HD, MyZenTV HD, Luxe TV, High Lifе (платформа HD) и Кинопоказ HD 1 (платформа HD). К тестированию услуг по подаче ТВ в формате HD для своих абонентов в этом месяце уже приступил Новосибирский оператор «Сибирские сети». www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU

DCSK-МОДЕМЫ ДЛЯ PLC-СВЯЗИ: СТАНДАРТЫ, ПРОИЗВОДИТЕЛИ, КОМПОНЕНТЫ ВИКТОР ОХРИМЕНКО, техн. консультант, НПФ VD MAIS

В статье рассмотрены особенности спецификаций HomePlug C&C, используемых в узкополосной технологии передачи данных по электросети. В основе спецификаций, продвигаемых альянсом HomePlug Powerline Alliance, лежит метод модуляции сигнала с расширением спектра, получившей название «дифференциальная кодовая манипуляция». Потенциальные возможности этого вида модуляции сигнала обещают в ближайшем будущем увеличить скорость передачи данных до 150…500 Кбит/с.

HOMEPLUG C&C

Модуляция вида DCSK относится к классу модуляции сигналов с расширением спектра (spread spectrum — SS). В предлагаемых решениях, созданных на базе DCSK-модуляции, реализованы протоколы физического уровня PHY (Physical Layer Protocol) и уровня передачи данных DLL (Data Link Layers). В настоящее время PLC-технология с использованием этого вида модуляции поддерживается двумя компаниями (Yitran Communications Ltd. и Renesas Technology), являющимися разработчиками и производителями PLC-модемов и PLC-микроконтроллеров. Технология передачи данных с расширением спектра имеет ряд преимуществ. Это, во-первых, возможность выделения сигнала даже при отрицательном соотношении сигнал/помеха (т.е. при уровне помех большем, чем уровень сигнала), а, во-вторых, меньшая восприимчивость к узкополосных и импульсным помехам, а также к искажениям, вызванных многолучевым распространением и отражением сигнала, изменениями сопротивления нагрузки и пропаданием сигнала. Наличие этих преимуществ объясняет, почему модуляция с расширением спектра получи-

ла широкое распространение в технологии передачи данных в устройствах космической и военной техники. Благодаря своим преимуществам, DCSK-модуляция положена в основу спецификаций HomePlug C&C. На уровне PHY используется предложенная компанией Yitran модуляция сигнала типа DCSK. Этот способ модуляции был запатентован (US Patent No.6,064,695) компанией Yitran еще в 2000 г. [4]. В зависимости от используемого рабочего диапазона частот, в соответствии с действующими региональными стандартами в спецификациях HomePlug C&C предусмотрены следующие скорости передачи данных: 7,5/5,0/2,5/1,25/0,625 Кбит/с (см. табл. 1). В Японии используется стандарт ARIB (Association of Radio Industries and Businesses), в США — FCC (Federal Communications Commission), в Европе — CENELEC (Commission Européenne de Normalisation Électrique). Еще одно из преимуществ — DCSKсигнал имеет почти постоянную огибающую модулированного сигнала, что позволяет уменьшить соотношение пиковой мощности к ее среднему значению (Peak-to-Average Ratio — PAR) и тем самым снизить требования к линейности усилителя, а также рассеиваемую выходным каскадом мощность и упростить его реализацию. Кроме того, возможность использования при модуляции вида DCSK полосы частот, расположенной далеко от границ разрешенного диапазона, избавляет от необходимости применения фильтров высоких порядков. В общем случае все эти преимущества позволяют снизить стоимость PLC-оборудования. Суть DCSK-метода заключается в скачкообразной перестройке несущей частоты, а расширение спектра осуществляется благодаря использованию метода линейной частотной модуляции

(Chirp Spread Spectrum — CSS). DCSKсимвол, передаваемый в диапазоне частот 20…40 кГц, можно представить во временной области радиоимпульсом определенной длительности с частотой заполнения, изменяющейся по линейному закону (например, в диапазоне 20…40 кГц). Принцип кодирования данных при модуляции DCSK объясняет следующий пример. Если DCSK-символ используется для кодирования 6 разрядов, то двоичному значению 000000 соответствует символ, начинающийся с частоты 20 кГц и заканчивающийся частотой 40 кГц (см. рис. 1а), а значению 100000 — символ, в котором частота вначале изменяется с 30 до 40 кГц, а затем с 20 до 30 кГц (см. рис. 1б). Таким образом, при методе кодирования 6 бит/символ (DCSK6) существуют 64 возможных варианта радиоимпульсов (символов) в заданной полосе частот (в рассматриваемом случае 20…40 кГц).

79

а)

б)

в) Рис. 1. Принцип кодирования в DCSK-методе: символ 000000 (а), символ 100000 (б), символ 111100 (в)

Электронные компоненты №8 2010

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы системы узкополосной передачи данных по электросети с использованием модуляции с расширением спектра вида DCSK (Differential Code Shift Keying — дифференциальная кодовая манипуляция) получают все более широкое распространение, что вызвано высокой эффективностью этого метода при работе в условиях плохо защищенных от помех линий электропередач. В основе спецификаций HomePlug C&C лежит метод DCSK-модуляции [1—7].

Рис. 2. Структура коррелятора

При использовании всего диапазона частот 9…95 кГц (CENELEC A) возможно повторение передачи одного и того же набора данных в полосе частот 18…44, 38…63 и 58…89 кГц, что обеспечивает хорошую помехоустойчивость и высокую надежность этого метода [3, 4]. Кроме того, в спецификациях HomePlug C&C предусмотрены и другие дополнительные меры увеличения надежности передачи данных в сети. В режиме работы RM (Robust Mode) применяется модуляция DCSK4, при которой используется метод кодирования 4 бит/ символ, в режиме ERM (Extremely Robust Mode) для повышения достоверности выполняется четырехкратная пересылка данных. В полосе FCC длительность символов выбрана равной 800 мкс, а диапазон изменения частоты заполнения символа составляет 100…400 кГц. Скорость передачи данных определяется из простых соотношений. Например, для режимов работы DCSK4 и DCSK6 скорость передачи соответственно равна:

Поскольку в режиме ERM выполняется четырехкратное повторение данных, скорость соответственно снижается:

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

80

Передатчик DCSK-модема содержит следующие основные блоки: – кодер; – блок перемежения, распределяющий поток двоичных данных между символами для защиты данных от импульсных помех; – модулятор; – формирователь преамбулы и сигнала синхронизации;

– цифровой фильтр; – ЦАП; – усилитель мощности; – устройство согласования с линией. В передатчике поток данных информационной последовательности разбивается на группы по 4 или 6 бит в зависимости от используемого режима работы и, соответственно, вида модуляции. Для каждой из групп данных формируется DCSK-символ. В начале каждого кадра данных передается сигнал синхронизации (преамбула).

DCSK-приемник содержит коррелятор, который используется как согласованный фильтр для выделения символов в процессе сравнения с шаблоном. Принимаемый сигнал (рис. 1б) преобразуется с использованием 10-разрядного АЦП (2048 выб./символ) и сравнивается с цифровым представлением базового символа (шаблона), который хранится в памяти приемника, чтобы определить относительный временной сдвиг (так называемый индекс) принятого символа по отношению к шаблону (см. рис. 1а). Затем из соответствующей таблицы с использованием найденного индекса определяется двоичное представление символа. В [4] приведена предлагаемая структурная схема коррелятора (см. рис. 2). Очень упрощенно принцип его работы описан ниже. В корреляторе реализованы два режима работы: синхронизации (в котором выполняется поиск преамбулы) и распознавания символов. Преамбула содержит четыре DCSKсимвола (1111). В режиме синхронизации сигнал с выхода АЦП через мультиплексор поступает на вход сдвигового регистра 2, в котором осуществляется потактовый сдвиг. Одновременно с выхода этого регистра данные передаются на вход собственно коррелятора. В простейшем случае (при одноразрядном АЦП) в корреляторе выполняется побитовое сложение по модулю 2 (логи-

ческая операция XOR). Первым операндом являются данные с выхода сдвигового регистра 2, вторым — шаблон. В результате анализа на каждом такте сдвига информации с выхода коррелятора определяется максимальное число совпадений содержимого всех разрядах операндов. В режиме распознавания символов вначале данные с выхода АЦП поступают в регистр 1 до его полного заполнения, а затем переписываются в буферный регистр 2. При помощи мультиплексора выход регистра 2 в этом случае подключается к его входу, и формируется кольцевой сдвиговый регистр, в котором осуществляется поразрядный сдвиг принятого символа. Путем анализа информации на выходе коррелятора определяется индекс сдвига принятого символа относительно шаблона. В действительности все значительно сложнее, уже хотя бы потому, что сам термин DCSK расшифровывается как дифференциальная кодовая манипуляция, и в приемнике необходимо определять относительный индекс сдвига соседних символов в последовательном потоке данных. В спецификациях HomePlug C&C регламентируются следующие характеристики физического уровня: динамический диапазон сигнала не менее 90 дБ; чувствительность не хуже 1 мВ; при частоте появления ошибочных бит (Bit Error Rate — BER) равн ой 0,01 в линии допускаются периодические импульсные помехи, искажающие до 40% сигнала, а также аддитивный белый шум с гауссовским распределением (Additive White Gaussian Noise — AWGN) с уровнем на 5 дБ выше уровня полезного сигнала [3, 7]. ПРОИЗВОДИТЕЛИ

Израильская компания Yitran Communications (до ноября 2004 г. — ITRAN Communications Ltd.) была основана в 1996 г. и является одним из лидеров разработки компонентов для PLC-модемов (www.yitran.com). С 2009 г. для замены разработанного ранее PLC-модема IT800 израильская компания Yitran Communications предлагает новую микросхему IT700 (HomePlug C&C) [5]. Структурная схема PLC-модема IT700 приведена на рисунке 3. Модем IT700 содержит усовершенствованное процессорное ядро 8051, флэш-память объемом 256 Кбайт, 16-Кбайт память типа RAM, 24 линии ввода/вывода общего назначения

Таблица 1. Скорость передачи данных (HomePlug C&C) Режим работы

Вид модуляции

Наименование

SM (Standard Mode) RM (Robust Mode) ERM (Extremely Robust Mode)

DCSK6 DCSK4 DCSK4 (с повторением кода)

Скорость передачи, Кбит/с

WWW.ELCP.RU

Стандарт ARIB/FCC 7,5 5,0 1,25

CENELEC — 2,5 0,625

Рис. 3. Структурная схема модема IT700

АЦП/ЦАП, коммуникационных интерфейсов, блоков памяти, портов ввода/ вывода общего назначения и т.д.). В этом случае модем является полностью автономным устройством, и внешний хост-процессор не требуется. Использование интерфейса прикладного программирования (API) предоставляет возможность простой интеграции программного кода приложения с кодом протокола сетевого уровня. Компания Renesas выпускает однокристальный PLC-микроконтроллер M16C/6S, включающий 16-разрядное процессорное ядро M16C/60 и PLCмодем I800 с аналоговым интерфейсом (Analog Front End — AFE). Структурная схема ИМС M16C/6S и вариант ее подключения к линии электросети приведены на рисунке 4 [6]. Основные параметры процессорного ядра (CPU) M16C/60 даны в таблице 2. PLC-модем IT800, разработанный

компанией Yitran Communications, выполнен в соответствии со спецификациями HomePlug C&C и полностью удовлетворяет требованиям стандартов FCC part 15, ARIB и CENELEC. Результаты тестирования модема — зависимость частоты появления ошибочных кадров (FER) от затухания в линии и отношения сигнал/помеха приведены на рисунке 5 [7]. Наличие в микросхеме M16C/6S мощного вычислительного ядра позволяет использовать ее в системах и устройствах без дополнительного хост-контроллера, что, соответственно, снижает стоимость изделий, созданных с использованием PLCмикроконтроллера M16C/6S. Основные сферы применения ИМС M16C/6S: – счетчики электроэнергии; – системы управления и уличным освещением; – системы сигнализации; – системы «умный дом».

Таблица 2. Основные параметры процессорного ядра M16C/60

CPU

Наименование Число базовых инструкций Минимальное время выполнения инструкции, нс

Значение 91 65,1

Адресуемое пространство памяти, Мбайт

1

ROM RAM Линии ввода/вывода (GPIO) Таймеры Сторожевой таймер

Объем встроенной памяти, Кбайт

Периферия

Контроллер прерываний Контроллер прямого доступа к памяти, каналы Интерфейсы Напряжение питания, В Ток потребления, мА Диапазон рабочих температур, °C Количество выводов и тип корпуса

64/96 24 21 5 (16 бит) 1 28 источников (7 уровней) 2 UART(3)/I2C 3,3…3,6 70 –20…85/–40…85/–40…105 64-LQFP

Электронные компоненты №8 2010

81 СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

(GPIO), а также PHY-интерфейс и приемопередатчики линии. Связь с внешними устройствами осуществляется через интерфейсы UART, SPI, I2C и JTAG. Интерфейс I2C используется для загрузки параметров конфигурации с внешней памяти типа EEPROM. PLCмодем IT700 поддерживает работу в частотных диапазонах, выделенных соответствующими организациями по стандартизации для высокочастотной связи по электросети в США, Японии и странах Европы. Благодаря применению модуляции типа DCSK, а также использованию встроенных средств обработки сигнала работа модема обеспечивается при динамическом диапазоне сигнала 85 дБ. Чувствительность приемника не хуже 1 мВ (от пика до пика). Напряжение питания 3,3 В. Предусмотрен встроенный стабилизатор напряжением 1,8 В. Микросхема IT700 выпускается в корпусе типа 56-QFN и имеет размеры 7×7 мм. В реализованном в модеме IT700 протоколе передачи канального DLLуровня поддерживаются: – до 1023 логических сетей и до 2047 узлов сети; – обслуживание передачи данных с подтверждением и без подтверждения доставки данных; – механизм повторной передачи; – автоматический выбор режима работы в соответствии с параметрами канала; – фрагментация и повторная компоновка больших пакетов данных; – метод сетевого доступа CSMA/ CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance — коллективный доступ с контролем несущей и устранением коллизий). Предполагается, что модем IT700 будет выпускаться в двух вариантах. В т.н. версии Protocol Controller Architecture предусматривается поддержка сетевого протокола Yitran’s Y-Net. В модемах этой версии программный код сетевого протокола будет прошит во флэш-памяти. В этом варианте для обмена данными между хост-процессором и модемом на аппаратном уровне используется интерфейс UART, а на программном — простой набор команд. В этом режиме работы пользователь не будет иметь доступа к незадействованным ресурсам микроконтроллера (блокам памяти, портам ввода/вывода периферийным устройствам и т.д.). Таким образом, IT700 представляется хост-процессору только как модем. В версии Open Solution Architecture возможно применение в пользовательских приложениях всех периферийных устройств модема IT700 (таймеров, контроллера прерываний,

Рис. 4. Структурная схема PLC-микроконтроллера M16C/6S

систем AMR/AMM/AMI с использованием модема IT700. Ожидается, что компания LS Industrial будет активно продвигать на корейском рынке PLC-оборудование, созданное на базе спецификаций HomePlug C&C PLC-модемы. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

а)

б) Рис. 5. Зависимость частоты появления ошибочных кадров от затухания в линии (а) и отношения сигнал/помеха (б)

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

82

Параметры модема IT700 и его потенциальная востребованность на PLCрынке привлекают многих производителей электротехнического оборудования. Предполагается, что одним из производителей микросхем IT700 будет израильская компания Tower Semiconductor, Ltd. (www.towersemi.com), которая в 2009 г. заявила об успешном запуске серийного производства модема IT700 на базе технологии 0,18 мкм. В октябре 2009 г. компания LS Industrial Systems (Корея) и ее дочерняя фирма Planet System Corporation совместно с компанией Yitran Communications подписали соглашение о сотрудничестве по разработке PLC-оборудования для

WWW.ELCP.RU

Широкое распространение низковольтных электрических сетей 0,2…0,4 кВ, отсутствие необходимости в дорогостоящих работах по строительству траншей и пробивке стен для прокладки кабелей стимулируют повышенный интерес к этим сетям как к среде передачи данных. Фактически, сеть может быть развернута на любом участке, где имеются линии электроснабжения. Особенно привлекательна PLC-технология при создании разветвленных автоматизированных интеллектуальных сетей (smart grids) для сбора показаний счетчиков расхода энергоносителей, а также домашних компьютерных сетей и сетей в небольших офисах. Открытость продвигаемых спецификаций HomePlug C&C, потенциальные возможности взаимодействия систем, построенных на базе DCSK, в других сетях и перспектива значительного увеличения в ближайшем будущем скорости передачи данных делает DCSK-модуляцию конкурентоспособной альтернативой другим видам модуляции. В сентябре 2009 г. компания Yitran Communications анонсировала новый PLC-модем DCSK Turbo IT900, поддерживающий скорость передачи данных до 500 Кбит/с, что значительно больше, чем обеспечивают выпущенные ранее микросхемы IT800/IT700 (7,5 Кбит/с).

Столь высокая скорость передачи (например, в два раза больше, чем в ZigBee 802.15.4) обеспечивается благодаря методу модуляции DCSK Turbo. Модем IT900 предназначен для применения в устройствах AMR/AMM/ AMI-сетей, а также в средствах домашней автоматизации. Возможно также его взаимодействие с устройствами, имеющимися в существующих сетях, в которых уже применяются IT800/IT700. Новый модем полностью удовлетворяет требования существующих стандартов (FCC, ARIB и CENELEC). Более полную информацию об узкополосной PLC-технологии, существующих стандартах и PLC-модемах можно найти в [1—7]. ЛИТЕРАТУРА 1. State-of-the-art Technologies & Protocols.D2.1/part 4. — OPEN Meter, 2009// www.openmeter.com.

2. HomePlug Command & Control (C&C).

Overview. White Paper. — HomePlug Powerline Alliance, 2008//www.homeplug.org.

3. Kevin Jones & Christos Aslanidis. DCSK Technology vs. OFDM Concepts for PLC Smart Metering. — Renesas, March 2009//http:// eu.renesas.com.

4. United States Patent. Patent Number 6,064,695. May 16, 2000.

5. IT700 Powerline Communication Modem.

Advanced Information. Product Brief Proprietary Information. — Yitran Communication, 2008// www.yitran.com.

6. M16C/6S group. Single-chip 16-bit CMOS microcomputer. Rev.5.00. — Renesas, 2009// http://eu.renesas.com.

7. Introduction to PLC micro-controller, M16C/6S. A 16-bit MCU equipped with a PLC modem circuit. — Renesas Technology Corp., 2009//www.renesas.com.

STM8 — новый игрок на рынке 8-разрядных МК РОМАН ПОПОВ, инженер по применению, ЗАО «Компэл» ДЖАФЕР МЕДЖАХЕД, менеджер по продукции, ЗАО «Компэл»

Компания STMicroelectronics, один из мировых лидеров по производству микроконтроллеров, вышла на российский рынок с новым 8-разрядным семейством микроконтроллеров STM8, дополнив всем известный сегмент высокопроизводительных 32-разрядных микроконтроллеров STM32. Популярность данных семейств постоянно возрастает, т.к. они имеют ряд инновационных преимуществ перед конкурентными решениями.

Российский рынок электроники довольно специфичен, большую часть сегмента рынка 8-разрядных микроконтроллеров занимают хорошо известные компании Atmel и Microchip. Это связано с тем, что эти компании первыми обратили внимание на российский рынок и вышли на него. На мировом рынке электронных компонентов названные компании не входят в число лидеров сегмента 8-разрядных микроконтроллеров, уступая таким производителям как ST, Renesas, Freescale, Texas Instruments. В последние годы ситуация меняется, основные мировые производители микроконтроллеров начали выходить на российский рынок и составлять конкуренцию уже присутствующим здесь компаниям. Семейство 8-разрядных микроконтроллеров STM8 включает три линейки: для применений в автомобильном сегменте — STM8A, промышленном — STM8S и для применений с ультранизким энергопотреблением — STM8L. Линейка STM8A по своим характеристикам и параметрам очень схожа с линейкой STM8S, основное отличие — это соответствие автомобильным нормам надежности и качества. На сегодня номенклатура STM8 насчитывает более 160 позиций. При производстве микроконтроллеров STMicroelectronics проводит довольно рациональную политику — деление на линейки для основных применений позволяет предлагать продукцию для самых разных сегментов рынка. Основой микроконтроллеров семейства STM8 является CISC-ядро, разработанное специалистами STMicroelectronics. Основные отличия ядра — гарвардская архитектура с раздельными шинами команд и данных, большинство инструкций выполняется за 1 такт, трехуровневый конвейер, адресное пространство 16 Мбайт, 32-разрядная шина доступа к флэш-памяти, 16-разрядные индексные регистры. Ядро имеет аппаратную поддержку знаковых операций сложения, умножения и деления. Аппаратное умножение 8×8 выполняется за 5—8 циклов, деление 16/16 и 16/8 — за 16 циклов. Максимальная производительность для STM8S составляет 20 DMIPS при 24 МГц, для STM8L — 16 DMIPS при 16 МГц. Более высокая производительность для STM8L обусловлена тем, что эта линейка появилась на рынке позже, чем STM8S, и в STM8L применяется более высокоскоростная память. Возможности микроконтроллеров значительно расширяет контроллер вложенных прерываний с тремя уровнями прерываний и детерминированным временем входа в обработчик, сохранение контекста занимает 9 циклов тактового сигнала. Всего доступно до 32 прерываний, 5 внешних прерываний — по одному прерыванию на порт ввода-вывода. Как уже упоминалось, линейка STM8S специально создана для применения в промышленности, и ее глав-

ным преимуществом является высокая надежность. Благодаря ядру с аппаратной поддержкой арифметических операций, таймерам с большим числом каналов захвата-сравнения и одному таймеру с расширенными возможностями для управления двигателями, STM8S является идеальным решением в приложениях с расчетом скалярных вычислений и управления. В документации на микроконтроллеры STM8 есть раздел, посвященный EMC- и ESD-характеристикам микроконтроллера, тогда как в описаниях микроконтроллеров других производителей аналогичный раздел зачастую отсутствует. Высокая надежность микроконтроллеров STM8 проявляется во многих аспектах и является результатом долголетнего опыта STMicroelectronics в области разработки микроконтроллеров для индустриальных и автомобильных применений. При разработке линейки STM8 STMicroelectronics старалась максимально использовать свои наработки по надежности. Например, микроконтроллеры STM8 выдерживают электростатический импульс до 4 кВ (HBM), в то время как у конкурентных решений это значение обычно соответствует уровню 1кВ. Встроенная устойчивость к электростатическим импульсам позволяет не использовать внешних защит и избежать дополнительных, зачастую очень сложных проблем. Микроконтроллеры STM8 отличаются высокой устойчивостью к электромагнитным помехам (по стандартам IEC 61000 2В по VFESD, 4A по VEFTB для STM8S) и сами характеризуются довольно низким уровнем излучаемого электромагнитного шума (по стандарту IEC61967-2 уровень SAE EMI = 2) . К тому же, благодаря специальному режиму работы портов ввода-вывода с пониженной частотой (менее резкие фронты) микроконтроллеры STM8 имеют дополнительную возможность снизить собственные генерируемые помехи. Для более стабильной работы микроконтроллеров и горячего старта с уже предопределенными начальными состояниями периферии микроконтроллеры STM8 имеют специальные конфигурационные регистры (option byte registers). Для жестких условий эксплуатации микроконтроллеры имеют специальный режим контроля памяти, идет постоянная аппаратная проверка состояния специальных регистров — суммируются их значения с противоположными значениями, и эта сумма всегда должна быть нулевой. При обнаружении изменения в значении этого ключевого регистра, например, при обнаружении жестких электромагнитных условий, происходит сброс микроконтроллера с выставлением соответствующего флага. Кроме того во всех микроконтроллерах присутствуют два сторожевых таймера — стандартный и оконный, работающие от двух независимых источников тактирования и позволяющие использовать STM8 в

Электронные компоненты №7 2010

83

Рис. 1. Характеристики STM8S

Рис. 2. Зависимость точности встроенного генератора

Рис. 3. Совместимость ножек ввода-вывода

84

Рис. 4. Режимы энергопотребления STM8S

WWW.ELCP.RU

сложных условиях эксплуатации и пройти сертификацию по стандарту IEC 60335 class B. Помимо превосходных параметров помехозащищенности семейство STM8 имеет хорошие характеристики стабильности своих параметров. Например, STM8S гарантирует полную работоспособность микроконтроллера, без деградации параметров во всем диапазоне питающих напряжений и во всем диапазоне температур (см. рис. 1). Любой микроконтроллер из семейства STM8 имеет в своем составе два высокоточных встроенных RC-генератора без использования схем ФАПЧ. Для STM8S это RC-генераторы 16 МГц и 128 КГц. RC-генераторы для STM8L имеют частоту 16 МГц и 38 КГц. Точность встроенного высокочастотного генератора калибруется на заводе до ±2% при 5 В и 16 МГц. Существует также возможность дополнительной программной калибровки до ±1%. В целом же точность имеет разброс ±5% во всем температурном диапазоне: — 40…150°С и напряжение питания — 2,95…5,5 В (см. рис. 2). Такая точность позволяет во многих приложениях вообще не использовать внешний источник тактирования и использовать USART от внутреннего генератора, что зачастую не доступно в конкурирующих решениях. Объем флэш-памяти в STM8S достигает 128 Кбайт, размер RAM — 6 Кбайт. В STM8L объем флэш-памяти достигает 64 Кбайт, размер ОЗУ — 4 Кбайт. Кроме того, в микроконтроллерах доступна «честная» EEPROM-память объемом до 2 Кбайт с 300 000 циклами очистки/записи. Флэш-память позволяет производить запись побайтно, пословно или блоками определенного размера.

STMicroelectronics акцентирует внимание на совместимости своих продуктов. Все линейки микроконтроллеров STM8 совместимы по портам ввода-вывода. Если в проекте заложен определенный микроконтроллер, но по каким-либо причинам при производстве его не оказалось в наличии, то он легко, без редизайна платы, может быть заменен микроконтроллером с аналогичным корпусом и таким же количеством ножек вводавывода. Все выводы объединены по группам (по функциональному назначению), расположены на определенных позициях и не меняются при переходе от одного микроконтроллера к другому (см. рис. 3). Преимущество такого решения проявляется в том, что при замене микроконтроллера потребуется минимум усилий и затрат на редизайн печатной платы. Нельзя не отметить и совместимость младшего семейства STM8 с 32-разрядным семейством на ядре Arm Cortex — M3 — STM32. Суть совместимости в следующем — оба семейства имеют общую периферию (SPI, USART, I2C и т.д.), и ее реа-

Рис. 5. Режимы энергопотребления STM8L

Рис. 6. Внутрисхемная система отладки SWIM

86

Рис. 7. Функциональная схема STM8S

лизация в обоих семейства однотипна, соответственно, применяются те же самые библиотеки, что значительно упрощает перенос программного обеспечения с одного семейства на другое. При существующей тенденции к переходу на «зеленые» технологии, нельзя не коснуться темы энергопотребления микроконтроллеров STM8. Микроконтроллеры STM8S хоть и не позиционируются для приложений с автономным питанием, имеют очень хорошие параметры по энергопотреблению. STM8S имеет 7 режимов гибкого управления энергопотреблением (см. рис. 4). В самом активном режиме (Fast Active) энергопотребление на 1 МГц составляет 480 мкА, в режиме сна (Slow Active) микроконтроллер потребляет около 6,8 мкА.

WWW.ELCP.RU

Для приложений с батарейным питанием компания позиционирует линейку STM8L. Это новая линейка микроконтроллеров в обширном семействе STM8, которая имеет ряд инновационных решений. Во-первых, это ультранизкое энергопотребление (см. рис. 5). Доступно 6 режимов энергопотребления. В полностью активном режиме энергопотребление составляет 192 мкА на МГц, в самом экономичном режиме — режиме сна — 0,4 мкА, и время восстановления в полностью рабочее состояние составляет 4 мкс. Помимо превосходных характеристик по энергопотреблению линейка STM8L характеризуется широкой периферией. К примеру, 4-канальный контроллер DMA в 8-разрядных микроконтроллерах является редкостью и в большинстве конкурентных решений отсутствует. Отметим также наличие полнофункционального RTC с функцией будильника, EEPROM, встроенный LCDдрайвер, 12-разрядный 24-канальный АЦП (время преобразования 1мкс и 1,3 мкс) c функцией аналогового сторожа, два 12-разрядных ЦАП. Для внутрисхемной отладки и программирования микроконтроллеры STM8 используют однопроводной протокол — SWIM. Он использует всего одну ножку порта ввода-вывода, которая также может использоваться для работы как обычная ножка (см. рис. 6) Основные характеристики протокола — ресурсы ядра микроконтроллера не используются, нет ограничений на области памяти и ресурсов, неограниченное количество контрольных точек инструкций, чтение и запись всей памяти и регистров во время выполнения приложения в микроконтроллере. Что касается средств разработки для семейства микроконтроллера STM8, то разработчикам предоставляются довольно гибкие возможности по цене и функциональности, доступно несколько сред разработки с различными возможностями. На данный момент существует четыре среды разработки и отладки программного обеспечения для STM8: ST Toolset от STMicroelectronics, IAR Embedded Workbench от IAR Systems, Ride7 от Raisonance, CXSTM8 от Cosmic software. Две последние предоставляют бесплатные Си-инструментарии с ограничением по коду в 32 Кбайт. Для всех микроконтроллеров на официальном сайте www.st.com доступна библиотека периферии микроконтроллера. Библиотека содержит набор функций, структур данных и макросов, охватывающих свойства периферии микроконтроллеров STM8S. Использование библиотеки в значительной степени облегчает процесс разработки собственного программного обеспечения, т.к. устраняется необходимость изучения докумен-

тации с именами регистров и их функционального назначения. Для быстрого начала работы c STM8 затраты минимальны, стоит приобрести отладочный комплект «STM8S — DISCOVERY» (цена менее 15 долл.) и воспользоваться программными ресурсами, упомянутыми выше. Полноценная лицензия на Си-инструментарий от фирмы Raisonance не превышает 1000 евро. Функциональная схема STM8S представлена на рисунке 7, STM8L — на рисунке 8.

STMicroelectronics — это не только мировой лидер в области производства микроконтроллеров, но и мировой лидер по КМОП-технологиям со встроенной флэш- памятью, на основе которых производится большинство микроконтроллеров. Линейка STM8 производится по современной КМОП-технологии 130 нм со встроенной флэш-памятью, в то время как некоторые конкуренты до сих пор используют более старые технологии (250…350 нм). Это позволяет снижать себестоимость микроконтроллера, и в итоге, предоставлять более дешевые решения с улучшенной функциональностью. Ценовое преимущество семейства STM8 особенно ощутимо при больших объемах встроенной флэш-памяти (см. рис. 9), поскольку выходной размер кристалла при использовании устаревших технологий намного больше. Сегмент 8-разрядных применений занимает сегодня основную часть рынка микроконтроллеров, и такое соотношение сохранится в ближайшем десятилетии. Благодаря своим характеристикам микроконтроллеры STM8 предоставляют серьезную альтернативу существующим решениям — их повышенная надежность позволяет успешно проходить сертификации и до минимума снижать количество брака. Стабильность параметров значительно упрощает задачи разработчиков и позволяет сокращать сроки разработки. Гибкость в работе и высокая производительность позволяют применять одно семейство STM8 в широком спектре изделий. И, наконец, хорошее соотношение цены и функциональности значительно уменьшает расходы на BOМ (Bill of Materials), в случае заказа достаточно крупных партий.

Рис. 8. Функциональная схема STM8L

Рис. 9. Зависимость стоимости от объема флэш-памяти

НОВОСТИ ГЛОНАСС | КАЖДЫЙ АВТОБУС ПОЛУЧИТ ТЕРМИНАЛ ГЛОНАСС | Муниципальный и коммерческий транспорт в ближайшее время может быть оснащен терминалами ГЛОНАСС. Каким будет российский городской транспорт, можно уже сейчас увидеть в Рязани. В Рязанской области впервые в России создана единая автоматизированная региональная навигационноинформационная система, которая контролирует общественный пассажирский транспорт, транспорт служб экстренного реагирования (МВД, МЧС) и специальных технических служб городского коммунального хозяйства. Проект по внедрению системы при поддержке правительства области осуществляет российская группа компаний «М2М телематика». На базе муниципального унитарного предприятия «Автоколонна 1310», эксплуатирующего городские пассажирские автобусы, создана Центральная диспетчерская служба. Специалисты службы в круглосуточном режиме контролируют городские автобусы, троллейбусы, маршрутные такси. По отзывам руководителей автотранспортных предприятий города, экономия горюче-смазочных материалов составила 25%. Эффект достигнут за счет исключения несанкционированного использования транспорта, оптимизации маршрутов и графиков движения. Возросла скорость прибытия машин скорой помощи. Один терминал, предназначенный для установки в транспортное средство, обходится в двадцать тысяч рублей. В него входят навигатор, приемник ГЛОНАСС, передатчик данных в единую информационную систему, тревожная кнопка и система двусторонней голосовой связи с диспетчером. www.russianelectronics.ru

Электронные компоненты №7 2010

87

ЦАП. ТАК ЛИ ВСЕ ПРОСТО? ЕВГЕНИЙ ЗЫКИН, технический консультант, ИД Электроника В статье рассмотрены принцип работы и основные параметры цифроаналоговых преобразователей. Даны рекомендации по выбору и проектированию ЦАП. Цифро-аналоговый преобразователь — устройство для перевода цифровых данных в аналоговый сигнал. Это своеобразный мост между аналоговой и цифровой частями схемы. Сфера применения ЦАП очень широка. Это — усилители звука, аудиокодеки, обработка видео, устройства отображения, системы распознавания данных, калибровка датчиков и других измерительных устройств, схемы управления двигателями, системы распределения данных, цифровые потенциометры, программируемое радио (SDR) и т.д. ПРИНЦИП РАБОТЫ

Принцип работы ЦАП заключается в суммировании аналоговых сигналов (ток или напряжение). Суммирование производится с коэффициентами, равными нулю или единице в зависимости от значения соответствующего разряда кода. Выходной сигнал ЦАП может иметь форму тока, напряжения или заряда. Преобразователи с токовым выходом используются в основном в прецизионных и высокочастотных схемах. Для определенности мы будем рассматривать ЦАП с выходным напряжением, как наиболее распространенные. Из таблицы 1 видно, что максимальное выходное напряжение на 1 МЗР (младший значащий разряд входного кода) ниже напряжения полной шкалы (ПШ). Некоторые ЦАП позволяют использовать всю шкалу.

Т Е О Р И Я И П РА К Т И К А

88

Рис. 1. Структура взвешивающего ЦАП

WWW.ELCP.RU

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦАП

Наиболее важные характеристики ЦАП — это разрядность, шаг квантования (разрешающая способность) и точность преобразования. Передаточная характеристика (ПХ) — зависимость выходного сигнала ЦАП от входных данных. Разрядность (N) — количество бит во входном коде. Разрешение — это выходное напряжение, соответствующее 1 МЗР. Оно зависит от количества разрядов и определяет точность преобразования сигнала. Частота дискретизации (частота Найквиста) — максимальная частота, на которой ЦАП может работать, выдавая на выходе корректный результат. В соответствии с теоремой Котельникова, для корректного воспроизведения аналогового сигнала из цифровой формы необходимо, чтобы частота дискретизации была не меньше удвоенной максимальной частоты в спектре сигнала. Полная шкала — диапазон значений выходного сигнала. Монотонность — участок на ПХ, где наклон постоянен. На этом участке ЦАП линеен. Время установления — интервал времени от момента изменения входного кода до окончательного вхождения выходного сигнала в заданный диапазон отклонения. Выходной выброс — это переходный процесс, возникающий во время смены

входных данных. Величина выброса зависит от количества переключаемых разрядов. Погрешность смещения нуля — разность между фактическим и идеальным выходным сигналом, когда на входе ноль. Погрешность ПШ — разница между фактическим выходным напряжением и напряжением ПШ. Погрешность усиления — отклонение наклона ПХ от идеального. Дифференциальная нелинейность — разность приращений выходных сигналов, соответствующих смежным соседним кодам. Интегральная нелинейность — максимальное отклонение реальной ПХ от прямой линии. КЛАССИФИКАЦИЯ

Цифро-аналоговые преобразователи делятся по типу входных данных на последовательные и параллельные. По разрядности выделяют ЦАП с повышенной точностью (большая разрядность, N≥14) или с высоким быстродействием (6—8 разрядов). Выходной сигнал может иметь форму напряжения, тока или заряда. Рассмотрим некоторые структуры ЦАП. Простейшим ЦАП является взвешивающий (делитель Кельвина), структура которого показана на рисунке 1. Каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника (или проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. N-разрядный ЦАП содержит 2N одинаковых последовательно соединенных резистора и 2N ключа (обычно КМОП), по одному между каждым узлом цепи и выходом. Взвешивающий метод — один из самых быстрых, однако характеризуется наименьшей точностью. Обычно такой ЦАП имеет выход по напряжению и отличается хорошей монотонностью. Если все резисторы одинаковы, ЦАП линеен. Недостаток данной модели — относительно высокий выходной импеданс и большое количество резисторов и ключей. ЦАП на матрице R–2R. Это одна из наиболее распространенных структур (см. рис. 2). Здесь используются только

Табл. 1. Сигналы четырехразрядного ЦАП (опорное напряжение 5 В) Выходное напряжение, В 0,0000 0,3125 0,6250 0,9375 1,2500 1,5625 1,8750 2,1875 2,5000 2,8125 3,1250 3,4375 3,7500 4,0625 4,3750 4,6875

Входной код 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

две величины сопротивлений, находящихся в отношении 2:1. Количество резисторов равно 2N. Резистивный делитель можно использовать в каче-

стве ЦАП двумя способами, в режиме напряжения и режиме тока (они также известны как нормальный и инверсный режимы). Главное преимущество ЦАП с выходом по напряжению заключается в том, что выходной импеданс постоянен. Второе достоинство — отсутствие емкостных токов в нагрузке. Недостатки данной структуры: во-первых, опорный источник должен иметь очень низкий импеданс; во-вторых, для регулирования усиления нельзя использовать резистор, включенный последовательно с опорным источником. В токовом режиме это допустимо, однако выбросы в токовой схеме больше. С другой стороны, ключи находятся под потенциалом земли, поэтому защита от большого перепада напряжений не требуется. В сигма-дельта ЦАП (см. рис. 3) преобразование осуществляется с помощью сигма-дельта модуляции, когда квантование осуществляется всего одним разрядом, но с частотой, в десятки и сотни раз превышающей частоту Найквиста. Как видно из рисун-

Рис. 2. ЦАП на R–2R матрице с выходом в форме напряжения

ка 4, сигма-дельта модулятор преобразует входной сигнал в последовательный непрерывный поток нулей и единиц. Если входной сигнал близок к положительному краю полной шкалы, в битовом потоке на выходе больше единиц, чем нулей, и наоборот, если сигнал ближе к отрицательному краю, то больше нулей. Для сигнала, близкого к середине шкалы, количество нулей и единиц примерно одинаково. Интерполяционный фильтр представляет собой цифровую схему, которая принимает данные, поступающие с низкой частотой дискретизации, вставляет нули в поток данных, увеличивая тем самым частоту дискретизации, затем применяет алгоритм интерполяции и выдает данные с высокой частотой дискретизации. Выходное напряжение одноразрядного ЦАП переключается между равными по значению положительным и отрицательным опорными напряжениями. Выход фильтруется аналоговым ФНЧ. Перемножающий ЦАП работает с различными опорными сигналами, в т.ч. переменного тока. Выходной сигнал пропорционален произведению опорного напряжения на дробный эквивалент цифрового входного числа. Сегментированные (гибридные) преобразователи. При проектировании конкретного ЦАП может оказаться так, что ни одна из базовых структур не подходит, и придется комбинировать различные структуры для получения ЦАП с высоким разрешением и требуемыми характеристиками. ПОДБОР ЦАП

Рис. 3. Общая структура сигма-дельта ЦАП

Т Е О Р И Я И П РА К Т И К А

90

Рис. 4. Принцип работы сигма-дельта модулятора Табл. 2. Сравнение интерфейсов ЦАП Интерфейс

Количество выводов Данные: 8—16 линий; Управление и тактирование — 2—4 линии 2 линии: данные и тактирование

Параллельный 2

IC

Скорость работы До 100 Мбит/с До 1 Мбит/с

SPI

4 линии: тактовый сигнал, выходные данные, входные данные, выборка кристалла

До 400 Мбит/с

Microwire

3 линии: тактовый сигнал, входные данные, синхронизация кадра

До 400 Мбит/с

WWW.ELCP.RU

Для выбора подходящего ЦАП необходимо определить требования, которым должны соответствовать его параметры. В первую очередь это — разрядность, разрешение, время установления выходного сигнала (быстродействие), интерфейс подключения, напряжение питания и т.д. Обычно при проектировании устройства сначала выбирается его главный элемент — вычислительное ядро (процессор, ПЛИС, МК и т.д.), который определяет интерфейс обмена с остальными элементами схемы. В таблице 2 приведены четыре наиболее распространенных интерфейса для ЦАП. Параллельный интерфейс — наиболее простой в реализации, однако при этом используется много линий передачи данных, микросхема имеет много выводов и занимает больше места на плате. Последовательные шины I2C и SPI являются наиболее распространенными в современных МК. Недостаток SPI — его нельзя настраивать так точно, как I2C, поэтому устройства с SPI могут быть не полностью совместимы между собой.

элементы. Наибольший вклад вносят шумы от проводящих линий. Как известно, соединительные проводники представляют собой не только активное, но и реактивное сопротивление. Соответственно, нужно следить за тем, чтобы все контуры возвратных токов были как можно меньше, тогда индуктивность проводов уменьшается и не возникает шума по земляной шине. ФОРМИРОВАНИЕ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА

Рис. 5. Нелинейные искажения выходного сигнала

ЦАП можно подключить к нагрузке напрямую, однако, как правило, ставится дополнительный буфер или согласующее устройство. Это может быть неинвертирующий ОУ или повторитель напряжения (см. рис. 6). При использовании буфера следует удостовериться, что он не вносит погрешность больше 1/2 МЗР. При согласовании ОУ с ЦАП следует учитывать и другие параметры ОУ: полосу пропускания, размах напряжения и т.д. ЗЕМЛЯ

Если на плате имеется только один слой земли, то шум от цифровых элементов может проникнуть в аналоговую часть схемы. Чтобы избежать этого, рекомендуется делать отдельные полигоны земли для аналоговой и цифровой частей, соединенные тонким проводником. Второй способ — использовать два внутренних слоя, соединенных сквозным отверстием. Этот метод более надежен, однако стоимость платы увеличивается. ЛИТЕРАТУРА 1. McCulley В. Bridging the Divide//www.analog-europe.com/en/ bridging-the-divide-part-1--dac-introduction.html?cmp_id=71&news_ id=222900832&vID=35.

2. Kester W. Data Conversion Handbook//Analog Devices, 2004. Рис. 6. Способы формирования выходного сигнала

Разрядность ЦАП и величина опорного напряжения определяют шаг изменения выходного сигнала. Время установления определяет быстродействие ЦАП. При работе с постоянными или низкочастотными сигналами этот параметр не имеет большого значения. Однако им нельзя пренебрегать при работе на ВЧ. Нелинейности бывают двух типов: интегральная и дифференциальная. Линейный ЦАП работает как зеркало, точно отражая входные данные. Влияние нелинейностей проиллюстрировано рисунком 5. Как правило, эти искажения следует учитывать в прецизионных схемах, таких как системы калибровки или измерительное оборудование. Для работы ЦАП нужно два источника напряжения (питания и опорное). В некоторых схемах для них используется один вывод, однако в этом случае точность ИП должна быть очень высокой, не хуже 1%. Преобразователи с раздельными выводами имеют более сложную схему, однако они не так требовательны к выбору ИП. Тип и размер корпуса также имеют большое значение и могут существенно сузить диапазон выбора. Например, если конвейер автоматической сборки не позволяет устанавливать ИС с шариковыми выводами, то ЦАП, не выпускающиеся в других корпусах, использовать нельзя. Во-вторых, корпус может повлиять на распределение тепла на плате. В портативных устройствах и устройствах с батарейным питанием можно использовать только малопотребляющие ЦАП.

Т Е О Р И Я И П РА К Т И К А

91

ШУМОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Источниками шума в схеме являются проводники, разъемы, трансформаторы, индуктивности, электрическое поле, создаваемое конденсаторами, антенны и прочие

Электронные компоненты №8 2010

Модуль дистанционного управления ДИРК ГЕРКЕ (DIRK GEHRKE), КРИСТИАН ХЕРНИТШЕК (CHRISTIAN HERNITSCHECK), инженеры лаборатории Elektor

w w w.elek tor.com

.

В статье на примере проекта RGB LED Mood Lighting из февральского номера Elektor 2008 г. описан один из способов реализации дистанционного управления устройством. Для модуля дистанционного управления понадобится комплект разработки eZ430-RF2500T для микроконтроллеров (МК) семейства MSP430. Он содержит два небольших РЧ-модуля eZ430-RF2500T и отладочную плату с USB-интерфейсом. На каждой плате есть шестивыводной штырьковый разъем (см. рис. 1). Модули содержат МК MSP430F2274, приемопередатчик CC2500 2,4 ГГц, осциллятор и антенну (см. рис. 2). Питание осуществляется от двух элементов ААА. Шаг выводов на обоих РЧ-модулях составляет 2,54 мм. Интерфейсная USB-плата предназначена для отладки ПО для МК и программирования РЧ-модулей. Один из РЧ-модулей ,приемник, подключается к управляемому устройству. Второй, передатчик, устанавливается в пульт. Функции обмена данными можно реализовать самостоятельно либо взять готовые из бесплатной библиотеки «MSP430 interface to CC1100/2500» на сайте Texas Instruments.

ства требуется внести изменения, а именно заменить резистор 330 Ом (R2) на 68 Ом. Сигналы с преобразователя уголкод поступают на выводы 1 (RXD0) и 6 (TXD0) приемника и направляются в порты P2.1 и P2.0 МК. Напряжение питания подается на выводы 2 (VCC) и 5 (GND) разъема JP1.

из режима приемника в режим передатчика. Этот прием используется для снижения потребляемого тока и, соответственно, увеличения срока службы батареек. Общий ток потребления передатчика в режиме ожидания складывается из следующих компонент: потребление

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

В целях упрощения для приемника и передатчика используется один и тот же программный код. При подаче питания обе платы начинают работать как приемник, при этом расположенный на каждом модуле зеленый светодиод горит непрерывно. Если преобразователь угол-код, подсоединенный к плате передатчика, приводится в активное состояние, то передатчик переходит

Рис. 1. Плата РЧ-модуля eZ430-RF2500T

ПЕРЕДАТЧИК

К плате передатчика подключается преобразователь угол-код, который посылает на приемник электрический сигнал, соответствующий углу поворота ручки. Количество передаваемых данных минимально, а все время, когда ручка преобразователя не двигается, передатчик находится в режиме ожидания, практически не потребляя энергии. Преобразователь угол-код подключается к выводам 3, 5 и 7 передающей платы. В микроконтроллере этим выводам соответствуют порты Р2.0, P2.2 и P2.4. При этом Р2.2 — цифровой выход, а Р2.0 и Р2.4 — цифровые входы с возможностью генерации прерываний. К ним подключены внутренние подтягивающие резисторы, чтобы обеспечить требуемый уровень сигнала.

П О С Л Е РА Б О Т Ы

93

ПРИЕМНИК

Плата приемника подключается к управляемому устройству напрямую через разъем JP1. Для обеспечения питания 3,3 В в схему питания устрой-

Рис. 2. Принципиальная схема РЧ-модуля

Электронные компоненты №8 2010

преобразователя угол-код. В схеме с дистанционным управлением ее необходимо несколько усложнить, добавив таблицы преобразования. Они формируются автоматом, диаграмма состояний которого приведена на рисунке 3. Когда автомат переходит в новое состояние, преобразователь активизируется. Если на один из входов Р2.0 или Р2.4 приходит фронт сигнала, генерируется прерывание. Для добавления функции дистанционного управления в ПО для целевого устройства требуется, во-первых, инициализировать порты Р2.0 и Р2.1 и добавить прерывание с порта Р2, чтобы обрабатывать уровни сигнала с приемника, которые поступают на входы Р2.0 и Р2.1 Каждый передний фронт на выводе Р2.0 генерирует прерывание. После этого указатель LEDptr инкрементируется. Этот указатель используется для доступа к таблице, в которой хранятся установки трех светодиодов (красный, зеленый и голубой). Когда приходит фронт на Р2.1, прерывание снимается и значение указателя LEDptr уменьшается на единицу. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рис. 3. Диаграмма состояний автомата

MSP430F2274 в режиме LPM4 (около 100 нА), потребление СC2500 в спящем режиме (около 400 нА); ток через два подтягивающих резистора, зависящий от положения ручки преобразователя (0..189 мкА). Отсюда следует, что ток потребления передатчика в «спящем» режиме определяется в основном положением ручки преобразователя. Потребление

можно снизить, если вместо внутренних подтягивающих резисторов поставить внешние. В режиме передачи оба диода, расположенные на плате РЧ-модуля, выключены. При движении ручки преобразователя они мигают. В исходном проекте RGB LED Mood Lighting использовался самый простой способ обработки сигналов

Обзор журнала Elektor №7, 2010 П О С Л Е РА Б О Т Ы

94

Очередной номер Elektor за июль-август имеет необычный формат – вместо нескольких больших проектов в нем приведено множество советов и схемотехнических приемов, а также описаны разнообразные простые устройства, которые не продаются в готовом виде, но являются полезными и даже незаменимыми в быту или на рабочем месте инженера. Всего более 100 идей и рекомендаций. Новым также является размещение схем разводки печатной платы на сайте www.elektor.com в специальном разделе. Все предлагаемые устройства разделены по рубрикам: аудио, видео и фотография, хобби, быт и хозяйство, компьютер и интернет, устройства на основе МК, источники питания и зарядные устройства, РЧ-схемы, измерительное оборудование. Самый большой раздел посвящен устройствам, полезным в повседневной жизни. Среди них хочется отметить влагозащищенный выключатель для ванной комнаты, электронные ключи, контроллеры уличного и внутреннего освещения,

WWW.ELCP.RU

Благодаря использованию готовых средств разработки для настройки дистанционного управления не требуется припаивать дополнительные элементы на плату. Программирование также сведено к минимуму. Исходные коды для приемника и передатчика можно загрузить с сайта Elektor. По вопросам приобретения образцов или сотрудничества с Elektor обращайтесь к Антону Денисову: anton@elcp.ru, тел.: (495) 741-77-01. Оформить бесплатную еженедельную подписку на новостную рассылку от издания Elektor можно на сайте www.elektor.com.

мышеловку, различные устройства для сбережения электроэнергии, а также индикатор заряда аккумуляторов и усилитель для автомобильной магнитолы, несколько схем таймеров и контроллер нагрева пола. В рубрике «измерительное оборудование» представлены датчик топлива, электронные термометры различного назначения, тестер для светодиодов (для подбора элементов с одинаковыми характеристиками), датчик ИК-сигнала и пр. Из раздела хобби можно узнать, как сделать сигнализацию и светодиодную подсветку для велосипеда или мопеда, усилитель и компрессор для электрогитары и многое другое. В номере предложено несколько источников питания, в т.ч. источник постоянного тока, виртуальная батарейка 9В, регулируемый источник питания с низким напряжением. Если вас интересует остальное содержание журнала Elektor, посетите официальный сайт издания www.elektor.com или подпишитесь на бесплатную рассылку (на английском).

Новые компоненты на российском рынке ВСТРАИВАЕМЫЕ СИСТЕМЫ

Защищенный промышленный компьютер с двумя слотами PCI от Avalue

Компания Avalue предлагает защищенный промышленный компьютер с двумя дополнительными слотами PCI — EPS-AT270-2PCI. Характеристики компьютера EPC-AT270-2PCI. – ЦП Intel® Atom™ N270 с тактовой частотой 1,6 ГГц.

– Корпус без вентилятора.

– ОЗУ DDR2 533 SDRAM до 2 ГБ.

– Слот для установки карт памяти CF. – Слот для установки 2,5” HDD. – Диапазон рабочих температур –15…60°C. – Защита от вибрации: 5g с носителем типа Compact Flash и 1g с носителем типа HDD (согласно стандарту IEC 60068-2-64).

– Защита от пикового удара: 50g с носителем типа Compact Flash и 20g с носителем типа HDD (согласно стандарту IEC 60068-2-27).

– Интерфейсы ввода/вывода: 2x Гбит/с Ethernet, 6x COM, 6x USB 2.0 , 1x разъем Express Card/ слот 34 мм , 2x PCI-слота с поддержкой шины 33 МГц.

– Широкий диапазон питающих напряжений: 9…32 В. Основное преимущество данного компьютера перед другими промышленными компьютерами — это сочетание высокой степени защищенности с большим количеством промышленных интерфейсов ввода/вывода (RS-232/422/485) и возможности увеличения функциональности за счет использования двух слотов PCI. Кроме этого, компьютер выполнен в прочном металлическом корпусе, может быть оснащен специальным креплением на стену, а винтовой разъем обеспечивает надежную фиксацию кабеля питания. Основные области применения: автомобильный и ж/д транспорт; тестовое и измерительное оборудование; промышленная автоматизация; реклама на транспорте. Совместимость с ОС: Windows XP/Embedded/CE/7; Linux (Debian, Ubuntu, OpenSUSE); Solaris. Аvalue www.avalue.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ООО Полностью защищенный от пыли и влаги панельный компьютер с 15-дюймовым экраном от Avalue

Компания Avalue, один из крупных производителей промышленных компьютеров, представляет свою новую разработку — полностью защищенный по стандарту IP-65 панельный компьютер LPC-1505 с диагональю экрана 15 дюймов.

До сих пор компанией производились полностью защищенные панельные компьютеры с диагональю не более 12 дюймов. Компьютер комплектуется новым мощным двухъядерным процессором Intel Dual Core Atom D510/D525 с тактовой частотой 1,66/1,8 ГГц, что обеспечивает работу компьютера без вентилятора. Другими особенностями компьютера являются: – встроенный сенсорный экран с диагональю 15 дюймов с разрешением 1024×768 и яркостью 800 кд/м2; – антиабразивное покрытие стекла (защита от механических повреждений); – металлический корпус, который обеспечивает полную защиту по стандарту IP-65; – широкий диапазон питающих напряжений: 12…28 В. Аvalue www.avalue.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ООО

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

Новые 30-МГц генераторы сигналов стандартной/произвольной формы от Agilent Technologies

Компания Agilent Technologies представила одноканальный и двухканальный генераторы сигналов стандартной/произвольной формы — 33521A и 33522A, которые входят в состав семейства Agilent 33500. Генераторы обладают минимальными в своем классе общими гармоническими искажениями и джиттером. Большой графический дисплей позволяет настраивать параметры с одновременным просмотром и редактированием сигнала. Кроме того, генераторы имеют гораздо больше функций и обеспечивают поточечное построение защищенных от наложения спектров сигналов произвольной формы, что обеспечивает исключительную точность. Новые генераторы сигналов стандартной/произвольной формы серии Agilent 33500 обладают следующими возможностями: – генерация синусоиды, меандра и импульсов с полосой 30 МГц; – джиттер менее 40 пс и общие гармонические искажения 0,04%; – частота дискретизации 250 Мвыб/с с разрядностью 16 бит; – поточечное построение сигналов произвольной формы для более точного представления специализированных сигналов; – интерфейсы USB и LAN (LXI-C) облегчают подключение к другим приборам; – термостабилизированный (в стандартной конфигурации) и термостатированный (опция) кварцевый генератор обеспечивает сверхвысокую стабильность. Генераторы сигналов стандартной/произвольной формы серии Agilent 33521A и 33522A полностью совместимы со спецификациями LXI Класс C. Для быстрого и простого подключения к ПК или к сети генераторы оборудованы интерфейсами USB 2.0 и 10/100 Base-T Ethernet (LAN). Встроенный Web-сервер позволяет управлять приборами дистанционно через стандартный web-браузер. Генераторы серии 33500 могут подключаться к другим генераторам сигналов произвольной формы компании Agilent (33210A, 33220A, 33250A) через опциональный интерфейс GPIB. Agilent Technologies Inc. www.agilent.ru

Дополнительная информация: см. Agilent Technologies Inc.

Электронные компоненты №8 2010

97

Универсальный двухканальный генератор Г4-РК2/150 от компании «Радиокомп»

Компания «Радиокомп» разработала универсальный двухканальный генератор Г4-РК2/150, позволяющий формировать сигналы с различными видами модуляции. Основные характеристики генератора: – диапазон частот генератора при неравномерности выходного уровня 3 дБ от 0,4 до 150 МГц; – максимальная выходная мощность на нагрузке 50 Ом не менее –3 дБм; – основные виды модуляции: АМ, ЧМ, ФМ, число отсчетов на период модуляции от 2 до 4096 (2048 для ЧМ), минимальный период дискретизации 10 нс; – модуляция с внешних входов; – дополнительные виды модуляции: ЛЧМ, BPSK, BFSK, QPSK, QFSK, QAM; – возможность использования каналов в квадратурном режиме; – максимальный ток, потребляемый прибором, 350 мА; – габаритные размеры 180×95×36 мм. Электропитание генератора осуществляется по шине USB. Универсальный генератор может быть изготовлен в различных вариантах: с внутренними и внешними опорными частотами, малошумящими внутренними генераторами опорной частоты, с опцией измерения АЧХ и ФЧХ, а также с опцией квадратурного переноса сигнала в диапазон частот от 700 МГц до 4 ГГц. Для универсального генератора Г4-РК2/150 разработано специализированное программное обеспечение.

Контроллер с интерфейсом PROFIBUS для источников питания от Delta Elektronika

Компания Delta Elektronika B.V. (Нидерланды) продолжает расширение линейки встраиваемых контроллеров интерфейса для источников питания серии SM и представляет контроллер с интерфейсом PROFIBUS. Этот контроллер позволяет управлять источниками питания при помощи промышленной сети PROFIBUS-DP и предлагается как опция для комплектации источников питания серии SM. Контроллер устанавливается внутрь источников питания при заказе соответствующей опции. Эту опцию можно заказать со следующими источниками питания: ES150, ES030, SM800, SM1500, SM3000 и SM6000. Основные характеристики нового контроллера интерфейса.

– Разрешение для управления током и напряжением — 14 бит.

– Точность управления и индикации не более 0,1%.

– Получение информации о состоянии источника питания.

– Дистанционное отключение источника питания.

Delta Elektronika BV www.delta-elektronika.nl

Дополнительная информация: см. «Авитон», ЗАО

ООО «Радиокомп» www.radiocomp.net Новая серия DC/DC-преобразователей с непрерывной защитой выхода от короткого замыкания от Blitz-power

Дополнительная информация: см. «Радиокомп», ООО

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Контроллер источника питания с интерфейсом CANopen от Delta Elektronika

98

Компания Delta Elektronika B.V. (Нидерланды), расширяя линейку встраиваемых контроллеров интерфейса для серии источников питания SM, представляет контроллер источника питания с интерфейсом CANopen. Это устройсво позволяет управлять источниками питания при помощи интерфейса CANopen и предлагается как опция для комплектации источников питания серии SM. Контроллер устанавливается внутрь источников питания при заказе соответствующей опции. Эту опцию можно заказать со следующими источниками питания: ES150, ES030, SM800, SM1500, SM3000 и SM6000. Основные характеристики нового контроллера интерфейса.

– Скорость до 1 Мбит/с, выбор при помощи DIP-переключателей.

– Разрешение для управления током и напряжением — 14 бит.

– Точность управления и индикации не более 0,1%.

– Получение информации о состоянии источника питания.

– Дистанционное отключение источника питания.

Компания Blitz-power представляет BIN01A_C-C — DC/DC-преобразователи мощностью 1 Вт с узким входным диапазоном, напряжением изоляции 1 кВ и непрерывной защитой выхода от короткого замыкания. Семейство DC/DC-преобразователей Blitz-power с узким диапазоном входного напряжения пополнилось новыми изделиями. Запущены в производство модели преобразователей мощностью 1 Вт в корпусах SIP с защитой по выходу от короткого замыкания, работающие в непрерывном режиме. Новая серия включает в себя преобразователи с одним (BIN01A_SC-C) и с двумя выходами (BIN01A_DC-C). Эта серия преобразователей имеет прочность изоляции между входом и выходом 1 кВ, что позволяет применять ее в самых разнообразных системах. Компактные и защищенные преобразователи BIN01A_C-C являются более надежным и удобным решением, чем предыдущая серия преобразователей, в которой использовалась только кратковременная защита от короткого замыкания. Основные характеристики DC/DC-преобразователей.

– Диапазон входных напряжений: ±10%.

– Изоляция вход-выход: 1 кВ постоянного тока.

– Диапазон рабочих температур: от –40 до 85°С.

– Защита по выходу от короткого замыкания (в непрерывном режиме).

– Защита по входу от импульсов напряжения до 125— 150% в течение 1 с.

– Корпус SIP7 (19,5×6,0×9,4 мм).

Delta Elektronika BV www.delta-elektronika.nl

Blitz-power www.blitz-power.ru

Дополнительная информация: см. «Авитон», ЗАО

Дополнительная информация: см. «Авитон», ЗАО

WWW.ELCP.RU

Модули электропитания серии МДМ-ЕП с приемкой «5» от «Александер Электрик ИЭП»

ООО «Александер Электрик Источники Элек тропитания» под контролем военного представительства начало производство опытных образцов модулей электропитания серии МДМ-ЕП с приемкой «5». Главной особенностью модулей серии МДМ-ЕП является расширенный диапазон входных напряжений: 9…42 В и 18…72 В. Рабочая температура корпуса находится в интервале от -60 до 115°С. В настоящее время серия МДМ-ЕП включает в себя модули мощностью 5, 10 и 20 Вт с выходными напряжениями в интервале от 3 до 80 В. Модули электропитания мощностью 10 и 20 Вт производятся в одно- и двухканальном исполнении. Обладая высокой надежностью, модули серии МДМ-ЕП снабжены защитой от перегрузки и перенапряжения, тепловой защитой, возможностью дистанционного включения и подстройкой выходного напряжения. ООО «Александер Электрик ИЭП» www.aeip.ru

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

КВАРЦЕВЫЕ И ПАВ-ГЕНЕРАТОРЫ

Миниатюрные прецизионные термостатированные генераторы от ОАО «Морион»

ОАО «Морион» (СанктПетербург) представляет семейство миниатюрных прецизионных термостатированных генераторов, обладающих следующими особенностями: – температурная стабильность частоты не хуже 1·10 –8; – объем не более 10 см3 при высоте не более 12,7 мм (для SMD-корпуса — до 14,0 мм). В таблице приведены основные параметры серийно выпускаемых миниатюрных термостатированных прецизионных генераторов. Модель генератора ГК118-ТС

Размеры, мм (объем, см3) 20×20×10 (4)

ГК199-ТС

20×20×12,7 (5)

Температурная неста- Напряжение бильность частоты питания, В до ±1·10–8 5 или 3,3 до ±1·10–9 –9

ГК140-ТС

25,4×22×12,5* (7)

до ±5·10

ГК115-ТС

25,4×22×14* (8)

до ±5·10–9 –9

ГК85-ТС

25,4×25,4×12,7 (8)

до ±5·10

ГК197-ТС

36×27×10 (10)

до ±5·10–10

12 или 5

1 мин с точностью ±2·10 –8. Данный прибор находится в серийном производстве и предлагается по конкурентным ценам с короткими сроками поставки. ОАО «Морион» ведет разработку аналога генератора ГК197-ТС, но в категории качества «ВП». ОАО «Морион» www.morion.com.ru

Дополнительная информация: см. «Морион», ОАО

Управляемый напряжением генератор на ПАВ с самым низким уровнем джиттера от Vectron International

Компания Vectron International сообщила о выпуске нового двухчастотного управляемого напряжением ПАВ-генератора (ПАВ ГУН) — VS-709. Новая модель обеспечивает самый низкий уровень джиттера среди имеющихся на рынке ПАВ ГУН. Данное свойство нового генератора является критически важным для перспективного сетевого оборудования с высокими скоростями передачи информации. Применение VS-709 позволит разработчикам упростить конструкцию устройств тактовой синхронизации, исключив из них дополнительные схемы снижения джиттера, а также понизить уровень шума этих устройств и получить экономический выигрыш за счет сокращения расходов на используемые компоненты и материалы. Генератор может функционировать в диапазоне частот от 150 МГц до 1 ГГц. В качестве выходного сигнала генератора выбирается одна из двух частот. Типовое значение температурной стабильности частоты составляет ±100 ppm. Минимальная полоса гарантированной синхронизации ±50 ppm. На частоте 622,08 МГц среднеквадратичное значение джиттера в полосе от 12 кГц до 20 МГц составляет 120 фс, а в полосе от 50 кГц до 80 МГц — 105 фс. Типовой уровень фазового шума при отстройке 10 кГц составляет –112 дБн/Гц. Уровень паразитных составляющих не более –90 дБн. Напряжение питания 2,5 или 3,3 В. В генераторе предусмотрен выходной интерфейс LVDS или LVPECL. Рабочий диапазон температур от –40 до 85°C. Генератор выполнен в герметичном корпусе для поверхностного монтажа с размерами 5,0×7,0×1,8 мм. Генератор VS-709 оптимизирован для применения в системах ФАПЧ, в которых требуется очень высокий уровень подавления джиттера. Подобные системы ФАПЧ могут применяться в оборудовании для широкого ряда высокоскоростных сетевых приложений: 10 GbE, 40 GbE, 100 GbE, OTN, Synchronous Ethernet, Sonet/SDH. Vectron International www.vectron.com

Дополнительная информация: см. «Радиокомп», ООО

99

12 5 или 3,3 12; 5 или 3,3

МИКРОСХЕМЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

12 или 5

* Генераторы выполнены в SMD-корпусах. Одним из наиболее популярных приборов из приведенного списка является генератор ГК197-ТС. Данный генератор характеризуется высокой стабильностью частоты — как в интервале рабочих температур, так и долговременной (до ±2·10 –8/год). Прибор может поставляться в низкопрофильном исполнении с высотой 10 мм. Для ГК197-ТС доступно три варианта исполнения по уровню фазовых шумов, в том числе малошумящий вариант ULN с уровнем фазовых шумов не более –103 дБ/Гц при отстройке 1 Гц и не более –133 дБ/Гц при 10 Гц. Возможна поставка ГК197-ТС с малым временем установления частоты: не более

Мощные импульсные стабилизаторы в миниатюрном корпусе от Analog Devices

Компания Analog Devices предлагает две новые микросхемы: ADP2302 и ADP2303. Это

Электронные компоненты №8 2010

мощные понижающие стабилизаторы с входным диапазоном напряжений от 3,0 до 20 В и постоянной рабочей частотой. В новых микросхемах встроен силовой MOSFET-ключ, обеспечивающий ток в нагрузку до 2 А (ADP2302) и до 3 А (ADP2303). Выходные напряжения можно устанавливать в диапазоне 0,8…17 В. Рабочая частота 700 кГц позволяет получить оптимальное соотношение между КПД и габаритами микросхемы. Встроенные схемы контроля тока и «мягкого» старта обеспечивают эффективную работу на динамическую нагрузку и исключают броски тока при включении. Среди других особенностей микросхемы — традиционные схемы защиты от короткого замыкания и перегрева. Также имеется дополнительный выход Power Good для мониторинга аварий и вход EN для включения/отключения стабилизатора. Основные области применения микросхемы: – замена линейных стабилизаторов для питания цифровых схем; – независимое преобразование напряжения; – телекоммуникационная аппаратура; – индустриальная и измерительная техника; – медицинские приборы; – бытовая электроника. Краткие основные характеристики микросхемы: – диапазон входных напряжений: 3,0…20,0 В; – диапазон выходных напряжений: 2,5; 3,3; 5,0 В и регулируемое напряжение 0,8…17 В; – максимальный выходной ток 2 А (ADP2302) и 3 А (ADP2303); – точность поддержания выходного напряжения 1,5% (во всем диапазоне рабочих температур); – номинальный собственный ток потребления 800 мкА; – диапазон рабочих температур –40…125°С; – тип корпуса: 8-выводной SOIC. Микросхемы запущены в серийное производство.

Analog Devices Inc. www.analog.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ООО

Agilent Technologies Inc. 115054, Москва, Космодамианская наб., 52, стр.1 Тел.: +7 (495) 797-3928 tmo_rus@agilent.com www.agilent.ru «Авитон», ЗАО 197376 С.- Петербург, Аптекарский проспект, д. 6, оф. 717 Тел.: +7 (812) 702-10-01 sales@aviton.spb.ru www.aviton-spb.ru «Александер Электрик Источники Электропитания», ООО 129226, Москва, пр-т Мира, д.125 Тел.: +7 (499) 181-26-04 , +7 (499) 181-19-20, +7 (903) 156-54-97 Факс: +7 (499) 181-05-22, +7 (916) 950-87-53 alecsan@aeip.ru www.aeip.ru «Морион», ОАО 199155, С.-Петербург, пр. Кима, д. 13а Тел.: (812) 350-75-72, (812) 350-9243 Факс: (812) 350-72-90, (812) 350-1559 sale@morion.com.ru www.morion.com.ru «Радиокомп», ООО 111024, Москва, Авиамоторная ул., д. 8, Научный центр Тел.: +7 (495) 957-77-45, 361-09-04, 361-04-16 Факс: +7 (495) 925-10-64 sales@radiocomp.net www.radiocomp.net «Элтех», ООО 198035, С.- Петербург, ул. Двинская, 10, к. 6А Тел.: +7 (812) 635-50-60 Факс: +7 (812) 635-50-70 info@eltech.spb.ru www.eltech.spb.ru

СОБЫТИЯ РЫНКА | PHILIPS ПОСТРОИТ ЗАВОД ПО ПРОИЗВОДСТВУ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СВЕТИЛЬНИКОВ В РОССИИ | Вице-президент и генеральный менеджер компании Philips «Световые решения» в Восточной Европе Владимир Габриелян в эфире РБК-ТВ рассказал, что компания не исключает возможности открытия в России предприятия по производству люминесцентных ламп. По словам Габриеляна, строить такой завод в России имеет смысл только тогда, когда Philips убедится, что российские власти готовы навсегда отказаться от обычных ламп. «Если мы вкладываемся в завод, который начинает здесь собирать или производить компактные люминесцентные лампы, но правительство РФ не подтвердит отказ от других типов ламп, то, к сожалению, наши коммерческие планы и ожидания от их продаж не будут выполнены, и тогда это будет убыточное предприятие», — сказал Габриелян. Ещё в конце 2009 г. Госдума приняла закон, согласно которому с 2014 г. в России будет введен запрет на лампы накаливания. Представитель Philips заявил, что дорогостоящее производство окупится лишь в том случае, если Россия полностью откажется от других типов ламп, т.е. если будет свернуто производство не только светильников в 100 Вт, но и менее мощных аналогов — в 75 и 25 Вт ламп. И хотя в принятом законе говорится, что производство классических ламп всех типов прекратится в России в 2014 г., бумажным гарантиям производители энергоэффективного оборудования верить не спешат. www.russianelectronics.ru

100 НОВОСТИ ГЛОНАСС

| ТАТАРСТАН ОТКРЫЛ ЭРУ ГЛОНАСС | Компания «Навигационно-информационные системы» (НИС) создаст в Татарстане пилотную зону системы экстренного реагирования при авариях (ЭРА) с использованием ГЛОНАСС («ЭРА-ГЛОНАСС») на протяжении всей федеральной автомагистрали М-7 «Волга», проходящей через 11 муниципальных районов Татарстана. В рамках реализации проекта «ЭРА-ГЛОНАСС» на транспортные средства будет устанавливаться навигационное оборудование с двусторонней системой связи, позволяющее в случае аварии автоматически определять координаты автомобиля через спутники системы ГЛОНАСС и передавать их оператору диспетчерского центра. На решение о строительстве пилотной зоны системы экстренного реагирования при авариях в Татарстане повлияла функционирующая здесь с 2009 г. система координации спасения пострадавших «ГЛОНАСС+112». Система также действует вдоль всей автодороги М-7 «Волга». В этом проекте участвуют три местных министерства: МЧС, МВД и Министерство здравоохранения. Вдоль автодороги М-7 уже проведены волоконно-оптические каналы связи к 81 подразделению экстренных оперативных служб. До конца 2010 г. система «ГЛОНАСС+112» заработает на всей территории Татарстана. В этом году будет создано пять-шесть пилотных региональных зон, где будет действовать программа. Среди них — Московская, Калужская области, Татарстан. «ЭРА-ГЛОНАСС» будет финансироваться из нескольких источников, в том числе из федерального бюджета. На весь период реализации программы будет выделено около 4 млрд. руб. На проектирование и строительство пилотных зон в этом году правительство РФ направило примерно 180 млн руб. www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU