Электронные компоненты №8/2009

содержание

№8/2009 8 Выжить и сохранить коллектив. Интервью 10 События рынка

РАЗРАБОТКА и КОНСТРУИРОВАНИЕ 12 Геннадий Денисов Электромагнитные помехи

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ 17 Том Ньютон Стандарт для силовых преобразователей задает направление развития поставщикам и OEMпроизводителям 19 Александр Ишурин, Александр Кук Резонанасный DC/DC-преобразователь большой мощности с широким диапазоном изменения нагрузки 22 Джошуа Манделкорн Выбор входного конденсатора понижающего преобразователя 24 Аджи Хари Пушпульный преобразователь. Еще один взгляд

28 Сергей Кривандин, Евгений Звонарев Источники питания Mean Well: энергосбережение во время спада экономики 2009 г.

33 Геннадий Сорокин, Иван Кузин, Михаил Кастров Транзисторные инверторы для электропитания средств связи 37 Алексей Власенко Analog Devices: новые компоненты для цепей питания 40 Олег Сергеев Светодиодные источники питания Mean Well 44 Игорь Твердов, Сергей Затулин Модули защиты от помех 47 Александр Райхман Обзор понижающих DC/DC-преобразователей компании STMicroelectronics 49 Евгений Рабинович TDK-Lambda: особенности работы и применения источников питания HWS/HD

журнал для разработчиков

РЫНОК

Руководитель направления «Разработка электроники» и главный редактор Леонид Чанов; ответственный секретарь Марина Грачёва; редакторы: Елизавета Воронина; Виктор Ежов; Екатерина Самкова; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; редакционная коллегия: Валерий Григорьев; Иван Покровский; Борис Рудяк; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; реклама: Антон Денисов; Елена Живова; распространение и подпис­ка: Василий Рябишников; вёрстка, дизайн: Александр Житник; Михаил Павлюк; директор издательства: Михаил Симаков Адрес издательства: Москва,115114, ул. Дербеневская, д. 1, п/я 35; Санкт-Петербург, Большой проспект В.О., д. 18, лит. А; тел.: (495) 741-7701; факс: (495) 741-7702; тел./факс: (812) 336-53-85; эл. почта: elecom@ecomp.ru, www.elcp.ru ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА: Мир электроники (Самара): 443080, г. Самара, ул. Революционная, 70, литер 1; тел./факс: (846) 267-3139, 267-3140; е-mail: info@eworld.ru, www.eworld.ru. Радиоэлектроника: 620107, г. Екатеринбург, ул. Гражданская, д. 2, тел./факс: (343) 370-33-84, 370-21-69, 370-19-99; е-mail: info@radioel.ru, www.radioel.ru. ЭЛКОМ (Ижевск): г. Ижевск, ул. Ленина, 38, офис 16, тел./факс: (3412) 78-27-52, е-mail: office@elcom.udmlink.ru, www.elcompany.ru. ЭЛКОТЕЛ (Новосибирск): г. Новосибирск, м/р-н Горский, 61; тел./факс: (3832) 51-56-99, 59-93-31; е-mail: info@elcotel.ru, www.elcotel.ru. Издательство «Электроника инфо» (Минск): 220015, г. Минск, пр. Пушкина, 29 Б; тел./факс: +375 (17) 251-6735; е-mail: electro@bek.open.by, electronica.nsys.by.

IMRAD (Киев): 03113, г. Киев, ул. Шутова, д. 9, оф. 211; тел./факс: +380 (44) 495-2113, 495-2110, 495-2109; е-mail: imrad@tex.kiev.ua, www.imrad.kiev.ua Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory». Ис­поль­зо­ва­ние ма­те­ри­а­лов воз­мож­но толь­ко с со­гла­ сия ре­дак­ции. При пе­ре­пе­чат­ке ма­те­ри­а­лов ссыл­ка на жур­нал «Эле­к­трон­ные ком­по­нен­ты» обя­за­тель­на. От­вет­ст­вен­ность за до­сто­вер­ность ин­фор­ма­ции в рек­лам­ных объ­яв­ле­ни­ях не­сут рек­ла­мо­да­те­ли. Индекс для России и стран СНГ по каталогу агентства «Роспечать» — 47298, индекс для России и стран СНГ по объединенному каталогу «Пресса России. Российские и зарубежные газеты и журналы» — 39459. Свободная цена. Издание зарегистрировано в Комитете РФ по печати. ПИ №77-17143. Подписано в печать 01.09.2009 г. Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 4000 экз. Изготовлено ООО «Группа Море». г. Москва, Хохловский пер., д. 9. Тел.: +7 (495) 917-80-37.

электронные компоненты

www. elcp.ru

АНАЛОГОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ 52 Олег Дворников, Виталий Гришков, Тимофей Натаров Проектирование аналоговых микросхем на МОПтранзисторах. Часть 1. Малосигнальная модель МОП-транзистора с источниками шумов

МИКРОСХЕМЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИИ 56 Ирина Ромадина Новые универсальные LDO-стабилизаторы компании ON Semiconductor

4 содержание

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ и DSP 62 Сергей Шумилин Характеристики производительности микроконтроллеров на базе ядра ARM Cortex-M3 65 Владимир Фомичёв 16- и 32-разрядные МК: за и против 67 Алеша Вранчич, Джеф Мейзел Выполнение высокопроизводительных вычислений на многоядерных процессорах в режиме реального времени 70 Большие частоты не означают более высокую производительность

www. elcp.ru

ПЛИС и СБИС 73 Екатерина Самкова Stratix IV против Virtex-5. Точка не поставлена

СВЧ 75 Валентин Кулешов Оптоэлектронные СВЧ-генераторы с рекордно низкими фазовыми шумами

ДАТЧИКИ 76 Олег Вайнилович, Петр Гардей, Василий Кунцевич, Андрей Чернов Микросхема мультиплексора IZ320ROIC для тепловизионных камер

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА и СИСТЕМЫ 80 Колм Слеттери Высококачественный мониторинг линий электропередач с помощью многоканальных АЦП

ТЕОРИЯ и ПРАКТИКА 83 Стивен Смит Форматы сжатия данных 89 НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ НА РОССИЙСКОМ

РЫНКЕ

contents # 8 / 2 0 0 9 E LEC TRO N IC COM PO N E NTS 20 0 9 #8

8 To Survive and Save the Team 10 MARKET EVENTS

DESIGN and DEVELOPMENT 12 Gennady Denisov Electromagnetic Interference

POWER SUPPLIES 17 Tom Newton Power Conversion Standard Sets Direction for Suppliers and OEMs 19 Alexander Isurin and Alexander Cook Resonant DC-DC Converter Boasts High Power and Wide Load Range 22 Josh Mandelcorn Buck Converter: Key is Selecting the Right Capacitor 24 Ajay Hari Voltage-Mode Push-Pull Converters Deserve a Second Look 28 Sergey Krivandin and Evgeny Zvonarev Power Supplies from Mean Well: Power-Saving During Recession 33 Gennady Sorokin, Ivan Kuzin and Mikhail Kastrov Transistor Chopper for Supplying Communication 37 Alexey Vlasenko Analog Devices: New Components for Supply Circuit 40 Oleg Sergeev LED Power Supplies from Mean Well 44 Igor Tverdov and Sergey Zatulin Noise Protection Units 47 Alexander Raikhman Review of Step-Down DC/DC Converters from STMicroelectronics 49 Evgeny Rabinovich TDK-Lambda: Operation and Application Features of HWS/HD Power Supplies

ANALOG

POWER ICs 56 Irina Romadina New LDO Regulators from ON Semiconductor

MCU AND DSP 62 Sergey Shumilin Efficiency Characteristics of ARM Cortex-M3-Based Microcontrollers 65 Vladimir Fomichev 16-bit MCUs vs. 32-bit Dominance 67 Aljoša Vrančič and Jeff Meisel A Real-Time HPC Approach for Optimizing Intel MultiCore Architectures 70 Tensilica’s White Paper Highest MHz Does Not Mean Highest Performance

FPGA and VLSIC 73 Ekaterina Samkova Stratix IV vs. Virtex-5. Competition Is Not Finished

MICROWAVE 75 Valentin Kuleshov Optoelectronic Microwave Oscillators with Ultra-Low Phase Noises

SENSORS 76 Oleg Vainilovich, Pyotr Gardey, Vasily Kuntsevich and Andrey Chernov Multiplexer IZ320ROIC for Thermal Vision Cameras

TEST and MEASUREMENT 80 Colm Slattery High-Performance Multichannel Power-Line Monitoring with Simultaneous-Sampling ADCs

THEORY and PRACTICE 83 Steven Smith Data Compression Tutorial 89 NEW COMPONENTS IN THE RUSSIAN

MARKET

52 Oleg Dvornikov, Vitaly Grishkov and Timofey Natarov Designing Analog MOSFET-based ICs. Part 1. SmallSignal MOSFET Model with Noise-Like Sources

электронные компоненты №8 2009

5 содержание

MARKET

Компании:

производите ли, дистрибьюторы, поставщики

7 EEMB 4-я обл. International Rectifier Москва IR/ Компэл 29 Mean Well 2 Microchip Technology Corp.

43 Авитон, ЗАО 18 Александер Электрик Дон, ООО 45 Александер Электрик источники электропитания, ООО 21, 55 Аргуссофт 27 Гранит-ВТ, ЗАО Спб 87 Инконнекс, ООО 48, 57 Компэл, ЗАО 79 Мастер-Тул, ООО 79 Мега-Электроника, ООО 69 Миландр, ЗАО 36 ММП-Ирбис, ЗАО 11 МТ-Систем, ООО

6

88, 96 Примэкспо, ООО содержание

4 Резонит, ООО 18 Реом СПб, ЗАО 2-я обл. Светотроника 3-я обл. Симметрон, ЗАО 85 СМП, ООО 86 Старт НПП, ОАО 25 Техносфера РИЦ 23 Электроконнект, ООО 16 Элитан, ЗАО 1, 13 Элтех, ООО

www. elcp.ru

Выжить и сохранить коллектив «Подписал баланс за полугодие — небольшая прибыль есть!», — с этой фразы Алексея Рыбака, директора ООО «Силовая электроника», начался наш разговор о том, как преодолевают кризис отечественные производители источников питания.

РЫНОК

8

— Алексей Львович, источники питания торговой марки «Континент», которые производит Ваша компания, хорошо известны на российском рынке, о самой же компании известно немного. Сегодня есть возможность это исправить.

— ООО «Силовая электроника» было создано в 1993 г. небольшой группой инженеров-разработчиков, прошедших школу советских НИИ и имевших опыт работы на государственных предприятиях. Основным направлением деятельности общества (по тогдашней терминологии — товарищества, что, кстати, полностью соответствовало характеру взаимоотношений учредителей, среди которых, помимо частных лиц вроде меня, был «Государственный НИИ авиационных систем», которому мы бесконечно благодарны) стало проведение заказных НИОКР по разработке изделий силовой электроники: источников и систем электропитания, зарядных устройств, источников бесперебойного питания, преобразователей напряжения и частоты. Работа заканчивалась выпуском комплекта конструкторской документации и опытными образцами, сделанными «на коленке». Организация дальнейшего производства происходила по кооперации с несколькими московскими приборостроительными предприятиями: своей производственной базы у нас тогда не было. Удачные технические решения тех лет используются и в современных разработках, хотя в неизменном виде в настоящее время производятся только два разработанных тогда блока, которые составляют систему электропитания для хорошо известной ЭВМ «Багет-41». В 1999 г. «Силовая электрони­к а» объединилась с двумя предприя­ тиями, серийно выпускающими сетевые блоки питания мощнос­т ью 7…60 Вт, под торговой маркой «Кон­ ти­н ент». Теперь наша номен­к лату­ ра включает изделия мощностью 1,5…1600 Вт с питанием от различных сетей постоянного и переменного тока. В настоящее время на предприятии работают около 70 человек. Основные структурные подразделе-

www.elcp.ru

ния — производство и отдел НИОКР. Все «железо» и «печать» мы заказываем на стороне, а монтаж, намотку, регулировку и контроль выпускаемой продукции осуществляем сами. При этом все изделия разрабатываются только нашими конструкторами. «Силовая электроника» имеет сертификат соответствия системы менеджмента качества требованиям ИСО 9001, ГОСТ РВ 15.002, СРПП ВТ. Продукция компании выпускается как с приемкой ОТК, так и с приемкой ВП.

— Какое место занимают заказные разработки в сегодняшней деятельности предприятия?

— Весьма существенное, ведь, как я уже сказал, мы и начинали именно с разработок на заказ. И сегодня мы выпускаем большое число специализированных изделий, разработанных по техническим заданиям потребителей. В основном, это источники электропитания для различной аппаратуры военного назначения как со специфическими электрическими характеристиками, так и в специальном конструктивном исполнении. При этом и наша собственная стандартная продукция промышленного применения может быть модифицирована с учетом конкретных требований.

— Алексей Львович, как, на Ваш взгляд, изменилась ситуация на российском рынке источников питания в период кризиса? Можно ли сказать, что в связи с повышением цен на зарубежную продукцию кризис на руку российским производителям?

— Совсем наоборот. Источники электропитания не являются изделиями самостоятельного применения, а предназначены для совместной работы с соответствующей аппаратурой. И если из-за кризиса и недальновидной политики определенных лиц объемы производства РЭА падают, то кому в такой ситуации нужны источники питания, какого бы высочайшего качества они ни были? Так что положение российских производителей источников электропитания сейчас непростое. И усугубляется оно

тем, что рост курса доллара и евро привел к росту цен на импортные комплектующие, без которых, увы, хороший источник электропитания сделать невозможно. Наша задача в кризис состоит, прежде всего, в том, чтобы, пережив его, сохранить коллектив. В Москве заменить уволившегося квалифицированного сотрудника — разработчика, конструктора, намотчика — скоро будет некем. Мы не сокращали ни штат, ни зарплаты, но реальные заработки упали, например, за счет отмены сверхурочных работ, которые в докризисный период, когда было больше уверенности в завтрашнем дне, активно практиковались. И с очередной модернизацией производства тоже придется подождать.

— Но у продукции Вашего предприятия, как и других российских производителей источников питания, наверняка есть определенные конкурентные преимущества по сравнению с высококачественными изделиями западных компаний и сравнительно дешевой продукцией производителей ЮВА?

— Вопрос поставлен не вполне корректно. Традиционно считающиеся ненадежными азиатские блоки питания по надежности и качеству постепенно достигают уровня продукции западных компаний. При этом их цена остается сравнительно небольшой, и это привлекает потребителя. Мой коллега Александр Гончаров об этом уже давно предупреждал. Приведу пример. Несколько лет назад мы выполнили заказную разработку источника питания для ЭВМ военного назначения. Цель разработки как раз и состояла в замене блока питания из ЮВА на отечественный. Ожидаемая потребность составляла сотни штук в год — поди плохо! Однако заказчик до сих пор про-

— Получается, что в своих разработках вы используете только зарубежные комплектующие? А был ли у вас опыт работы с российской элементной базой?

— Опыт был и есть, и немалый. Я уже говорил, что мы до сих пор производим блоки питания для ЭВМ «Багет-41». Эти блоки разрабатывались в свое время в соответствии с техническим заданием, которым предусматривалось использование преимущественно отечественных комплектующих. Так вот, знал бы кто, какая головная боль у нас оттого, что мы добываем (именно добываем, а не приобретаем) сейчас эти комплектующие! Одна из причин, по которым в новые изделия мы закладываем только зарубежную элементную базу, весьма проста: компоненты должны реально производиться. А то, бывает, увидишь на очередной «ЭкспоЭлектронике» целые прилавки отечественных комплектующих (глаза разбегаются!), наберешь визиток, а потом наши снабженцы в ответ на звонок в соответствующий отдел сбыта слышат: ничего подобного в продаже нет и не предвидится. Основную массу компонентов мы приобретаем не у изготовителей, а через посредников. Это связано с тем, что минимальные партии поставок у производителей (с точки зрения потребностей небольшого предприятия) очень велики. Ну, и, самое главное, специализированная элементная база для силовой электроники в России не производится, и никакого изменения ситуации в этом отношении не просматривается. А утверждать, что в разработках можно обойтись без того или иного специализированного компонента, значит, обманывать и себя, и заказчи-

ка. Можно, конечно, (некоторые так и делают) закладывать в документацию отечественные компоненты, а по умолчанию использовать импортные, но это одна из разновидностей пресловутого вранья.

— Когда вы выбираете элементную базу, то ориентируетесь на компоненты одной компании или предпочитаете использовать аналогичную продукцию разных производителей?

— В конструкторской документации мы обязательно указываем тип и изготовителя комплектующих, а также их возможные замены, не влияющие на надежность изделия. Нередко оказывается, что замену можно приобрести дешевле и в более короткие сроки. В таком случае применение аналога вполне оправданно. Важно и то, что комплектующие приобретаются только у проверенных поставщиков и контрафактные поставки практически исключены. К сожалению, в наше время наличие на упаковке с комплектующими именитой маркировки не является гарантией качества. Известны примеры снижения качества компонентов ведущих производителей после переноса производства в страны с более дешевой рабочей силой.

— Расскажите о некоторых технических характеристиках источников питания, которые производятся на Вашем предприятии. Предусмотрен ли в них корректор коэффициента мощности, каковы рабочие частоты, плотность мощности, и насколько эти показатели соответствуют аналогам зарубежных компаний?

— Все сетевые источники питания мощностью свыше 120 Вт мы оснащаем корректором коэффициента мощности. Так исторически сложилось, и потребителей это устраивает, хотя директивам МЭК, возможно, и не соответствует. Частота преобразования — фиксированная — около 100 кГц для АС/DС-преобразователей и до 300 кГц — для DС/DС. Сравнение источников питания (особенно заказных) различных изготовителей — задача сложная, требующая учета множества факторов (конструктивного исполнения, внешних климатических и механических воздействий, видов охлаждения и т.д.). Однако здесь вполне можно доверять оценкам потребителей нашей продукции, многие из которых имеют опыт применения зарубежных аналогов и утверждают, что наши источники ничуть не хуже, а нередко — лучше.

— Сегодня во многих приложениях от источников питания требуется устойчивая работа на динамическую нагрузку. Для этого ведущие производители прибегают к ряду ухищрений: введению токовой обратной связи, нелинейного корректирующего сигнала, цифрового управления и т.д. Как на Вашем предприятии решается эта проблема?

— С требованием устойчивой работы блоков питания на динамическую нагрузку наши разработчики впервые столкнулись более 20 лет назад, и его важность они вполне осознают. Цифровое управление мы не используем, а специализированные контроллеры, реализующие токовую обратную связь — да. И все, что прописано в ТУ, подтверждается результатами испытаний.

— Оказывает ли Ваша компания техническую поддержку клиентам?

— Конечно, оказывает. Только у нас не клиенты, а заказчики и потребители. Мы можем помочь им в выборе оптимальных источников питания и дать рекомендации по применению в конкретных условиях. Бывает, что потребитель, который самостоятельно спроектировал систему электропитания аппаратуры и приобрел у нас отдельные составляющие, консультируется с нашими разработчиками и вносит изменения, позволяющие повысить эксплуатационную надежность системы. Чем раньше в такой ситуации он к нам обратится, тем лучше, а то нередко об источнике питания разработчики оборудования вспоминают в последний момент.

— Есть ли у вас планы по освоению новой продукции, например инверторов?

— Повторюсь, в условиях кризиса мы планируем одно: выжить и сохранить коллектив. Что касается освоения новой продукции, то, помимо традиционных блоков питания за время существования «Силовой электроники», нам приходилось выпускать столько разной экзотической продукции, что инверторами нас не удивишь. С сегодняшним ассортиментом мы занимаем свое место на отечественном рынке, но если представится возможность улучшить положение за счет расширения ассортимента, то почему бы и нет?

Беседовал Леонид Чанов

электронные компоненты №8 2009

9 РЫНОК

должает применять азиатские блоки питания, ибо их стоимость такова, что нам этих денег не хватит даже на приобретение комплектующих. Все испытания у потребителя эти блоки проходят, а значит, их надежность его устраивает. Мы используем ту же элементную базу и те же (или подобные) схемотехнические решения, что и зарубежные производители. Когда эта элементная база начнет реально производиться в России, тогда можно будет надеяться, что отечественные источники питания станут не дороже китайских. Ну а пока наши «конкурентные преимущества», во-первых, в том, что для отечественных потребителей мы всегда «под рукой», а, во-вторых, всегда готовы работать по их техническим заданиям в соответствии с ГОСТами.

События рынка

| Производство пластиковых корпусов | Компания «Абрис» холдинга RCM Group объявляет о развитии нового направления — поставок пластиковых корпусов. Мы предлагаем широчайший выбор корпусов с различными конструкциями, габаритами, типами покрытий, материалами и окрасами — «Абрис СПб» изготовит любое изделие по Вашему индивидуальному проекту. Наши технические специалисты внесут оптимальные изменения в Ваш чертёж, если это будет необходимо для производства, и подготовят всю необходимую документацию для изготовления корпуса. Имеется возможность изготовления прототипа (его производство занимает 1 неделю без доставки). Средний срок изготовления партии готовых изделий составляет 45 дней. Степени защиты корпусов от внешних воздействий (класс IP) определяются ГОСТ 14254-96. Также изготавливаются корпуса для продукции двойного назначения (для оборонной промышленности). Возможности по изготовлению и прочие детали можно уточнить на сайте или у менеджеров компании «Абрис». www.rcmgroup.ru | Группа компаний «Абрис» сообщает о появлении нового каталога стандартных вандалозащищённых клавиатур | Новый каталог стандартных изделий этого направления появился на сайте компании «Абрис Кей» — www.keypads.ru. В нём представлены стандартные изделия из разряда вандалозащищённых клавиатур, которые идеально подходят для домофонов, систем контроля доступом, банкоматов и электронных терминалов, сферы применения которых трудно ограничить какими-то рамками. Главное, что это устройства, расположенные в общественных местах, неконтролируемые или лишь частично контролируются человеком. Все доступные изделия разделены на группы, снабжены фотографией и подробным описанием. www.rcmgroup.ru | Компания «Абрис» объявляет об открытии горячей линии технической поддержки — (812) 234-09-24 | Цель — сократить разрыв между разработчиками и производителями печатных плат, помочь на этапе проектировки избежать ошибок, которые в дальнейшем приведут к нежелательным и непоправимым результатам при производстве. Теперь Вы можете позвонить нам и получить оперативную консультацию высококвалифицированных технических специалистов компании «Абрис» по любому вопросу о печатных платах и их разработке. Технические специалисты ответят на вопросы по разработке, трассировке, проектированию, редизайну печатных плат и подготовке их к монтажу. Если у Вас сложный проект и есть сомнения или недостаточно ресурсов по его реализации, специалисты попробуют Вам помочь. Перечень возможных вопросов и уточнений неисчерпаем, но компетентный ответ и помощь в поиске оптимального решения Ваших задач по изготовлению электронных блоков гарантирован. Связаться с техническими специалистами можно по телефону горячей линии (812) 234-09-24 или через ICQ: 413 066 654. Горячая линия технической поддержки «Абрис» работает ежедневно по рабочим дням с 10-00 до 18-00. www.rcmgroup.ru

новос ти

10

Новости технологий

| Рулонная печать интегральных микросхем | Нанопечатная литография рассматривается специалистами в качестве одного из самых перспективных в будущем методов изготовления интегральных микросхем. Эта технология не имеет ограничений в плане миниатюризации, что выгодно отличает ее от оптической литографии, которая уже сегодня приближается к своим границам применимости. В случае нанопечатной литографии применяется метод «выдавливания» определенного рельефа на подложке с последующим формированием необходимых для функционирования микросхемы структур. Впрочем, у нанопечатной литографии имеется существенный недостаток — пока невозможно «печатать» ИС на подложке большой площади. В качестве примера можно привести такие устройства как дисплеи и солнечные батареи — в этом случае подходящим вариантом оказывается печать ИС на подложке большой площади с последующим разрезанием подложки на листы требуемых размеров. Профессор Мичиганского Университета Джей Гуо (Jay Guo) предложил метод рулонной нанопечатной литографии, когда печатающее устройство представляет собой ролик с полимерным покрытием, имеющим необходимый рельеф. С его помощью рельефный рисунок переносится на резистивный материал, которым покрывают подложку для последующей обработки и формирования полупроводниковой структуры ИС. Установка позволяет «печатать» рельефный рисунок будущей ИС на подложке размером не более 15 см, а миниатюризация не дотягивает до современного уровня — пока возможно изготовлять только 50-нм микрочипы. Тем не менее даже такие характеристики позволяют создавать целый ряд оптоэлектронных устройств, а исследователи вовсе не останавливаются на достигнутом — в будущем планируется существенно модернизировать технологию нанопечатной литографии. В целом реакция специалистов на предложенную профессором Джей Гуо методику изготовления ИС положительная. Отмечается не только возможность дальнейшего усовершенствования установки, но и снижения себестоимости продукции. Исследователи заручились поддержкой ряда компаний, заинтересованных в разработке новейшего метода изготовления полупроводниковых устройств и желающих внедрить новую технологию в производственный цикл. www.russianelectronics.ru

www.elcp.ru

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОМЕХИ Геннадий Денисов, ведущий специалист, ООО «ЛАД» В статье рассмотрены кондуктивные электромагнитные помехи и радио­помехи, возникающие при работе электронного оборудования. Описаны механизмы их возникновения. В некоторых случаях приведены расчетные соотношения, позволяющие определить параметры цепей защиты от помех. Даны практические рекомендации по уменьшению электромагнитных помех.

E = M di/dt,

(1)

I = C dv/dt,

(2)

На практике величины М и С никогда не известны, поэтому установить значение ЭМП можно лишь посредством измерений. Различают кондуктивные ЭМП и радиопомехи. Первые обычно измеряют на проводах питающей сети в частотном диапазоне от 150 кГц (в США и Канаде от 450 кГц, в некоторых видах телекоммуникационного оборудования — от 10 кГц) до 30 МГц, а вторые — в частотном диапазоне от 30 МГц до нескольких сотен мегагерц, а иногда и свыше 1 ГГц.

где М и С, соответственно, индуктивность и емкость между источником и приемником ЭМП.

Кондуктивные помехи определяют с помощью 50-Ом шунта (см. рис. 1).

Введение

Импульсный источник питания — естественный генератор электромагнитных помех (ЭМП) с частотой основной гармоники равной частоте переключения силовых ключей и высшими гармониками. Величина ЭМП нормируется стандартами, поэтому ее необходимо ограничивать. Величина помех определяется соотношениями (1) и (2):

Кондуктивные ЭМП

Рис. 1. Измерение кондуктивных ЭМП

12 Ра з ра б о т к а и к о н с т р у и р о в а н и е

Рис. 2. Механизм возникновения дифференциальных кондуктивных ЭМП

Рис. 3. Механизм возникновения дифференциальных кондуктивных ЭМП 1

ГОСТ Р 51317 Совместимость технических средств электромагнитная.

www. elcp.ru

Для отделения высокочастотных помех во входной цепи первичного напряжения используется LC-фильтр. Такое включение называется линией со стабилизированным импедансом (Line Impedance Stabilization Network, LISN). Подобный фильтр применяется практически во всех источниках питания. ЭМП ограничиваются государственными и международными стандартами. В России стандарты соответствуют спецификации Международной электротехниче­ской комиссии — International Electrotech­ nical Commission (IEC) 1. Кондуктивные ЭМП разделяются на дифференциальные и синфазные [1]. Механизм возникновения дифференциальных помех показан на рисунке 2. Конечно, входные и выходные фильтры должны ограничивать величину ЭМП, но, учитывая неидеальность дросселей и конденсаторов фильтров, полного подавления помех не происходит. Рисунок 3 иллюстрирует возникновение синфазных кондуктивных помех. Дифференциальные ЭМП измеряются между шиной питания и шиной возвратного тока, которая часто называется общей шиной (проводом). Синфазные ЭМП измеряются между шиной питания и корпусом прибора и между общей шиной и корпусом прибора. Уменьшение кондуктивных помех в первую очередь производится с помощью фильтров. Сегодня многие компании производят конструктивно законченные EMI-фильтры, которые очень удобны для использования в цепях переменного тока на высокой стороне. Эти фильтры отлично служат для ослабления радиопомех, но не всегда достаточны для требуемого уменьшения кондуктивных ЭМП. Кроме того, фильтры для ослабления кондуктивных ЭМП необходимы и в шинах постоянного тока во вторичных цепях, в т.ч. в распределенных системах питания. В этом случае

а)

б)

г)

в)

д)

Рис. 4. Конфигурации фильтров для подавления кондуктивных ЭМП: а) идеальный фильтр; б) реальный фильтр; в) фильтр с параллельным включением конденсаторов для уменьшения ESR; г) фильтр с однослойной обмоткой дросселя и уменьшенной паразитной емкостью; д) фильтр с добавлением дросселя во втором каскаде

Рис. 5. Амплитудно-частотные характеристики фильтров

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

Рис. 6. Демпфирующая цепь для уменьшения влияния резонанса

обычно приходится проектировать собственные фильтры. На рисунке 4 показаны различные конфигурации LC-фильтров, а на рисунке 5 — их амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) [1].

www. elcp.ru

На рисунке 4а показан идеальный фильтр, а на рисунке 4б — этот же фильтр с учетом паразитных параметров компонентов. Из сравнения их АЧХ (см. рис. 5) следует, что паразитные параметры значительно уменьша-

ют ослабления фильтра. Нивелировать действие эквивалентной последовательной индуктивности конденсаторов возможно, прибегнув к их параллельному включению (см. рис. 4в); максимальное ослабление сигнала в этом случае существенно возрастает. Следующий шаг — уменьшение паразитной емкости дросселя (см. рис. 4д) — возможен за счет выбора дросселя с обмоткой, намотанной в один слой. В этом случае для сохранения величины индуктивности, вероятно, придется использовать дроссель больших габаритов. Наибольший эффект даст схема на рисунке 4е, в которой вкупе с предложенными выше мерами использован дополнительный дроссель, повышающий порядок фильтра. В этом случае удается достигнуть максимального ослабления кондуктивных ЭМП. Применение фильтров необходимо, но порождает некоторые проблемы из-за наличия резонансной частоты. При резонансе напряжение на конденсаторе существенно возрастет и может привести к повреждению преобразователя. Для того чтобы ослабить влияние резонанса, следует ввести демпфирующую R D -CD -цепочку (см. рис. 6). Точный расчет демпфирующей цепочки крайне затруднителен — необходимо решение линейных дифференциальных уравнений высокого порядка, следовательно, невозможно получить решение в общем виде, тем более при несинусоидальном напряжении с переменным коэффициентом заполнения. Поэтому

С = I/(2πFV), где I — допустимый ток утечки; F — частота питающей сети (обычно 50 или 60 Гц); V — напряжение питающей сети. Емкости CHS, Y1, Y2 образуют делитель напряжения. При правильно выбранной толщине изолирующей пленки значение CHS таково, что напряжение стока ключа ослабится более чем в 1000 раз. Типовое значение CHS лежит в пределах 10…100 пФ. Фильтр второго порядка ослабит помеху между линией питания и землей на 40 дБ при угловой частоте в десять раз меньшей, чем рабочая частота переключения ключей. Дополнительное ослабление внесут индуктивности проводов и индуктивность рассеяния трансформатора, но и этого может оказаться недостаточно. В этом случае следует прибегнуть к другому методу ослабления кондуктивных ЭМП — как видно из (1) и (2), ослабление ЭМП возможно за счет увеличения длительности фронтов импульсов. Например, при CHS = 12 пФ амплитуде напряжения на коллекторе 300 В (выпрямленное

напряжение сети 220 В, 50 Гц) и длительности фронта импульса 100 нс пиковое значение тока, протекающего через паразитный конденсатор, составит примерно 36 мА. При увеличении фронта импульса в 2 раза во столько же раз уменьшится и ток, а, значит, и помехи. Однако следует иметь в виду, что при этом возрастут потери на коммутацию. Как показано в таблице 1 [3], увеличение длительности фронта импульса приведет к сужению спектра помехи. Другой путь проникновения токов — межобмоточная емкость C WW между первичной и вторичной обмотками трансформатора. Эта паразитная связь формирует шумовой ток примерно по той же цепи, что и емкость CHS (см. рис. 8). Именно по этой причине, в т.ч., требуется очень тщательно отнестись к проектированию трансформатора. Паразитная емкость — функция свойств изолирующей межобмоточной пленки, ее ди­э лектрических свойств, числа слоев и расположения между обмотками. Уменьшить величину межобмоточной емкости C WW можно с помощью экранирующей обмотки, расположенной между первичной и вторичной обмотками. Экранирующую обмотку желательно выполнить в виде сплошного слоя медной фольги и соединить с возвратной линией первичного тока. Рассчитать величину кондуктивных ЭМП невозможно. Например, при восстановлении запирающих свойств диодов выходного выпрямителя в течение нескольких наносекунд происходит сильный выброс ЭМП, которые через паразитную емкость трансформатора проникают на провода питающей сети. Поэтому при разработке защиты от кондуктивных ЭМП следует всегда иметь в виду определенный запас по ослаблению фильтров. Радиопомехи

Радиопомехи можно разделить на 2 категории. Первая — радиопомехи, обусловленные электрическими полями. Радиопомехи второй

Рис. 8. Контур тока через паразитную емкость CHS 2

Рис. 7. Установка транзистора на охладитель

категории генерируются магнитными полями. В первом случае источником помех служит изменение напряжения (dv/dt), во втором — изменение тока (di/dt). В зависимости от дальности расположения от источника, радиопомехи, порожденные электрическими и магнитными полями, могут рассматриваться либо отдельно — ближнее поле, либо только вместе (электромагнитные помехи) — дальнее поле. Граница Таблица 1. Зависимость энергии высших гармоник спектра от длительности фронта импульса Длительность фронта импульса от длительности импульса, %

Энергия, содержащаяся в высших гармониках спектра, %

1

49

2

24

3

15

4

11

5

9

6

7

7

6

Рис. 9. Цепи, генерирующие электрические поля

Underwriters Laboratories (UL) — лаборатории по технике безопасности в США.

электронные компоненты №8 2009

15 Ра з ра б о т к а и к о н с т р у и р о в а н и е

расчет демпфирующих компонентов ведется приближенными методами с использованием эмпирических правил. Более подробно этот вопрос изложен в [2]. Источником синфазных кондуктивных помех может служить и конструкция изделия. На рисунке 7 показан типичный приамер возникновения помехи. Транзистор обычно устанавливается на радиатор через изолирующую каптоновую (лента на основе полиамидной пленки) прокладку. Для улучшения теплового контакта толщину прокладки стараются уменьшить, при этом создается паразитная емкость CHS между транзистором и корпусом. На рисунке 8 показан паразитный контур тока, возникающий через эту емкость и конденсаторы Y1, Y2, величина которых определяется требованиями UL 2. Их величина составляет

Ра з ра б о т к а и к о н с т р у и р о в а н и е

16

Рис. 10. Цепи, генерирующие магнитные поля

между дальними и ближними полями пролегает на расстоянии λ/2π, где λ — длина волны. Например, если измерение производится на частоте 300 МГц, то длина волны составляет 1 м. Если рассматриваются цепи, работающие с высокими напряжениями и малыми токами, то основная энергия излучения сосредоточится в электрическом поле. В цепях с малыми напряжениями и большими токами основная энергия сосредоточится в излучаемых магнитных полях. На рисунке 9 показаны цепи, большая часть энергии излучения которых содержится в электрических полях.

www. elcp.ru

Уменьшить излучение таких цепей довольно легко посредством экранирования проводящим материалом — экран необходимо заземлить на корпус прибора, желательно в нескольких точках. Магнитные поля порождаются в сильноточных цепях с большой скоростью переключения тока (см. рис. 10). Очевидно, что необходимо вести монтаж таким образом, чтобы петли из сильноточных проводов имели как можно меньшую площадь. Экранировать магнитные поля сложнее, нежели электрические. В качестве экрана можно использовать фер-

ромагнитные материалы, но в этом случае конструкция заметно усложняется, т.к. экран становится двухслойным — к экрану из проводящих материалов добавляется ферромагнитный слой. Возрастает и стоимость экрана, поэтому и для экранирования электрических, и магнитных полей часто используют проводящие немагнитные материалы. В этом случае следует иметь в виду, что магнитные поля будут генерировать в проводящем экране довольно сильные вихревые токи. Для их уменьшения в экране следует проделать отверстия или щелевые пазы. Следующий шаг, позволяющий уменьшить излучения магнитных полей — конструирование трансформатора с уменьшенными полями рассеяния — довольно подробно описан в [1]. Литература 1. Mammano, Carsten, Understanding and Optimizing Electromagnetic Compatibility in Switch­mode Power Supplies 2. Robert Kollman, Damping an Input Filter// www.powermanagementdesignline.com/howto/ powersupplies/210500098 3. Majid Dadafshar and Jinho Choi, Eli­ minate the Guesswork in Controlling EMI//www. powerelectronics.com/power_systems/emi_emc/ emi-ac-dc-power-supply-0108/

Стандарт для силовых преобразователей задает направление развития поставщикам и OEM-производителям Том Ньютон (Tom Newton), директор отделения программ, стандартов и технологий для печатных плат, ассоциация IPC

.

жению и логическим управляющим устройствам. Условия окружающей среды определяют рабочую температуру и температуру при транспортировке, влажность, предельные уровни ударной нагрузки и вибраций. В разделах, посвященных качеству и надежности, устанавливаются и описываются требования по разработке и тестированию силовых преобразовательных устройств, а регулирующие разделы этого документа содержат международные стандарты по безопасной эксплуатации силовых преобразователей, допустимому уровню электромагнитных помех и воздействию на окружающую среду. Данный стандарт распространяется на три типа силовых преобразовательных устройств: Тип 1. Встраиваемые в оборудование AC/DC- и DC/DC-преобразователи. Тип 2. Устанавливаемые на плату DC/DC-преобразователи, в т.ч. изолированные и неизолированные. Тип 3. Внешние (по отношению к запитываемому оборудованию) источники питания AC/DC, используемые в качестве адаптеров и зарядных устройств. Технические требования к изделиям составляются с учетом ряда рекомендаций и оформляются в соответствии с установленным образцом. В документе должно содержаться описание принципа работы устройства, принципиальная схема, план испытания на соответствие техническим условиям, акты электромагнитной совместимости (ЭМС), результаты испытаний опытных образцов, результаты проверки правильности проектирования (DVT — design verification testing), результаты ускоренных испытаний (HALT — highly accelerated life testing), степень надежности SMT-пайки блока питания и допустимое снижение номинальных значений параметров, данные о надежности и их расчет, контрольный список проверки проекта; анализ характера и последствий отказов (FMEA — failure

mode and effect analysis) для заказной продукции, список материалов (BOM — bill of materials); утвержденный список поставщиков всех компонентов; схема печатного монтажа; чертежи компонентов, включая магнитные; технологические чертежи; нормативные документы; перечень изменений; физические размеры изделия. В технической документации должны быть полностью определены форма, допуски и назначение изделия, в т.ч. электрические характеристики с указанием того, относится ли устройство к типу Class 1 (стандартные PCD или преобразователи общего назначения) или к Class 2 (специализированные устройства или устройства с расширенными функциональными возможностями). Дата выпуска и модификация указываются в конце этих таблиц. Следует обратить внимание на такие пункты как параметры входных логических схем, схем индикации и контроля, выходные характеристики устройства; надежность, безопасность и регулирующие факторы; физические размеры, ТУ и требования к нему; контроль качества материалов и маркировка. Кроме того, поставщик силовых преобразовательных устройств должен предоставить задокументированную работоспособную систему контроля всех исходных, промежуточных и выходных материалов, а также план контроля их ка­чест­ ва. Разработка надежных систем подразумевает использование самого передового опыта по определению параметров, проектированию, составлению документации с описанием характеристик силовых преобразовательных устройств и их надежности. Производитель должен указать предполагаемую надежность преобразователя, а также условия ее расчета. Необходимо, чтобы была составлена утвержденная методика выбора компонентов для проектируемых изделий с данными обо всех компонентах и перечнем поставщиков. Стандарт

электронные компоненты №8 2009

17 И с т о ч н и к и п и та н и я

Силовые преобразователи (PCD — Power conversion devices) широко используются в компьютерном и телекоммуникационном оборудовании, однако до сих пор на них не определен стандарт, который позволил бы улучшить эксплуатационные характеристики этих изделий, сократить общее время проверки на соответствие и удовлетворить требованиям потребителя. В сентябре 2008 г. IPC — Ассоциация по разработке электронных коммуникаций (Association Connecting Electronics In­dust­ries) — опубликовала первый такой стандарт — IPC-9592, Require­ ments for Power Conversion Devices for the Computer and Telecommunications Industries («Требования для силовых преобразовательных устройств, применяемых в компьютерной и телекоммуникационных отраслях»). Этот документ был создан подкомитетом по стандартам для силовых преобразовательных устройств (Power Conversion Devices Standard Subcommittee [9-82]) в составе Управляющего комитета при Правлении OEM ассоциации IPC (IPC OEM Management Council Steering Commit­ tee [9-80]). В него входят представители ведущих OEM-производителей и такие поставщики силовых преобразовательных устройств, как Alcatel-Lucent, Cisco Systems, Dell, Emerson Network Power, Hewlett-Packard, IBM, Lineage Power и Murata Power Solutions. В IPC-9592 детально изложены требования к механическим и электрическим параметрам, условиям окружающей среды, качеству и надежности, а также регулирующие аспекты в отношении силовых преобразователей. Требования относительно механических параметров включают форму и размер устройств, конфигурацию разъемов и соединений, а также необходимость в охлаждении. В отношении электрических параметров относятся требования к интерфейсам, в т.ч. к источнику питания, входному напряжению, частоте и току, выходному напря-

И с т о ч н и к и п и та н и я

18

IPC-9592 определяет параметры, которые следует учесть в процессе выбора компонентов. Большое значение в стандарте IPC-9592 имеет раздел с допустимыми отклонениями от номинальных значений параметров и соответствующими рекомендациями. Для повышения надежности силового преобразователя предлагается использовать во всех электрических схемах метод ухудшения номинальных параметров компонентов. Он детально описывается в стандарте с указанием условий и результатов его применения. Данный метод заключается в использовании компонентов, имеющих заведомо лучшие характеристики. В этом случае гарантируется, что значения параметров как в установившемся, так и в переходном режимах не выйдут за рамки допустимых диапазонов. Разумное использование компонентов, рассчитанных на более высокие номинальные значения, обеспечивает непрерывное функционирование устройства при продолжительном изменении параметров элементов и, кроме того, позволяет уменьшить число отказов за счет снижения нагрузки, а также ослабить зависимость от разброса параметров, изменчивости производственного процесса и условий эксплуатации.

www.elcp.ru

Если в заказном устройстве PCD применяются новые технологии или архитектуры и для него не был проведен соответствующий анализ видов и последствий отказов (DFMEA — design failure modes and effects analysis), а также если применяются новые технологические компоненты, то поставщик обязан провести DFMEA и предоставить результаты потребителю с указанием корректирующих мер. Анализ DFMEA необходимо выполнять заранее, на стадии разработки источника питания. Этот анализ преследует три цели: установить и оценить потенциальные типы отказов каждого компонента и их воздействие на изделие; определить меры по устранению или снижению вероятности появления отказа; задокументировать результаты для использования в будущих проектах. Ключевым разделом в стандарте IPC-9592 является проверка проекта и проведение испытаний на соответствие изделия техническим условиям. Описываемые испытания по назначению делятся на две категории. Проверка правильности проектирования и испытание на электромагнитную восприимчивость, в т.ч. тестирование на устойчивость к электромагнитным помехам и электростатическому разряду гарантируют функционирова-

ние устройства в соответствии с его техническими характеристиками. Исследование воздействия окружающей среды, включая испытание HALT, проводится для того, чтобы убедиться (но не доказать) в надежной работе изделия в тех условиях, для которых оно предназначено. Необходимость в этом документе была столь велика, что в сентябре 2008 г., когда были подготовлены его основные разделы, работа над первой редакцией была в разгаре еще до опубликования исходной версии. Ожидается, что новая версия стандарта, над которой ведется работа под руководством нового председателя подкомитета 9-82 Нейла Витковски (Neil Witkowski), компания AlcatelLucent, будет опубликована к концу 2009 г. В этой редакции появятся существенные дополнения к тем разделам документа, которые касаются коррозии силовых преобразователей/источников питания в полевых условиях. Помимо этого, будет приведена более полная информация об испытаниях HALT, уровнях чувствительности к влаге (MSL — moisture sensitivity levels) изделий и компонентов, а также сведения о предварительной подготовке устройств перед проведением испытаний.

РЕЗОНАНСНЫЙ DC/DC-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ С ШИРОКИМ ДИАПАЗОНОМ ИЗМЕНЕНИЯ НАГРУЗКИ Александр Ишурин, технический специалист, Vanner Inc Александр Кук, технический специалист, Vanner Inc

.

В статье рассмотрена новая топология преобразователя, которая совмещает преимущества преобразователя с ШИМ-управлением, функционирующего на фиксированной рабочей частоте, и преобразователя с переменной рабочей частотой. Приведены схемы и временные диаграммы работы. Статья представляет собой сокращенный перевод [13]. этом случае уменьшаются электромагнитные помехи, т.к. используется мягкая коммутация. Кроме того, не возникает проблем с генерацией узкого импульса управления, но в этом случае происходит жесткая коммутация, возрастают потери и уровень электромагнитных помех. Большая часть затруднений возникает, когда при небольшом выходном напряжении, например, при 14 В, требуется получить большой выходной ток — свыше 200 А. В этом случае в схеме выпрямления на низкой стороне возникают следующие проблемы [1—5]: – потери мощности в дросселе становятся очень велики; – трудно обеспечить мягкую коммутацию выпрямительных диодов; – стоимость индуктора существенно возрастает. В [6 —11] отчасти описаны способы преодоления этих трудностей. Однако остаются сомнения в возможности мягкой коммутации ключей, неизвестно, каковы будут потери в режиме пониженного энергопотреб­ления. И, наконец, неясно, какова будет энергоэффективность преобразователя при мощностях свыше 2 кВт.

телям с переменной рабочей частотой. При нагрузке в пределах 25—100% от номинальной схема работает с управлением ШИМ и на максимальной (около 200 кГц) частоте. При снижении нагрузки менее 25% от номинальной уменьшается и рабочая частота; при этом продолжает снижаться коэффициент заполнения. Частота коммутации может быть снижена до 2…3 кГц, а коэффициент заполнения — до нуля в режиме пониженного энергопотреб­ления. При этом достигаются крайне малые потери (не более 8 Вт), что очень важно при работе от аккумуляторных батарей. На рисунке 1 показана схема преобразователя, способного работать как в понижающем, так и в повышающем режимах. В этой статье рассмотрен только понижающий режим работы. В [12] описана работа в повышающем режиме. Преобразователь использует последовательную резонансную цепь, поэтому энергия за один цикл преобразования ограничивается энергетиче-

19

Разработка топологии

И с т о ч н и к и п и та н и я

Введение

В зависимости от типа управления понижающие DC/DC-преобразователи обычно работают либо с фиксированной частотой и ШИМ-управлением, либо с переменной частотой. Пре­об­ ра­зователи с ШИМ обеспечивают диапазон регулирования от минимальной мощности (обычно менее 5% номинальной мощности) до максимальной. При этом обеспечивается хорошая энергетическая эффективность. Однако есть и недостатки: погрешности при генерировании узкого импульса ШИМ; относительно высокая потребляемая мощность в режиме пониженного энергопотребления и в режимах с малой нагрузкой, близких к холостому ходу; довольно большие электромагнитные помехи. Решение этих проблем обычно ведет к возрастанию стоимости. Резонансные преобразователи, рабо­тающие с переменной частотой, соз­д ают относительно небольшие элек­тро­магнитные помехи. Они могут работать на холостом ходу, потребляют малую мощность в режиме пониженного энергопотребления, имеют низкую стоимость. Однако в случаях, когда диапазон входных напряжений Vmax/Vmin > 1,3, возникают проблемы. В настоящее время популярна топология, использующая ШИМ со сдвигом фаз. Она применяется в инверторах с выходной мощностью свыше 4 кВт. В

Описанная ниже схема имеет преимущества, свойственные как схемам с ШИМ-управлением, так и преобразова-

Рис. 1. Схема резонансного преобразователя, совмещающего преимущества ШИМ и работы на переменной частоте

Рис. 2. Временная диаграмма работы идеального преобразователя

электронные компоненты №8 2009

Рис. 3. Схема прототипа преобразователя с выходной мощностью 4 кВт

ской емкостью резонансной цепочки, состоящей из LRES и конденсатора С1. На рисунке 2 показана временная диаграмма работы идеального преобразователя, работающего на максимальной частоте с ШИМ-управлением. В момент времени t0 при нулевом токе открываются ключи S2, S4 и диод D3, в интервале времени t0 —t1 ток нарастает. Его величина и форма определяются резонансной цепочкой C1, C4 и LRES. В момент времени t1 ключ S4 закрывается, и ток через эту цепь прерывается до тех пор, пока не откроется S3. Коммутация происходит при нулевом напряжении — zero-voltage switching (ZVS), — т.к. ключи S3, S4 находятся между конденсаторами С1 и С2, с одной стороны, и С3 и С4 — с другой. Емкости

С3 и С4 нужны для обеспечения мягкой коммутации ключей в интервале времени t1—t2, их величина значительно меньше, нежели С1 и С2. В момент времени t2 индуктивность LRES отдает запасенную энергию. В интервале t2—t3 ток протекает по цепи D6–LRES–TR1–S2. К моменту времени t3 ток на низкой стороне течет через диоды D7, D10 и уменьшается до нуля. В момент t4 ключ S2 закрывается, и относительно небольшой к этому времени ток через трансформатор прекращается. В момент t5 открывается ключ S1, и начинается вторая половина цикла преобразования, аналогичная первой, происходящей в интервале t0 —t5. В интервале времени t5—t6 ток протекает по цепи S1–TR1–LRES–S3, D4 и C1–C4.

Таблица 1. Сравнение различных топологий преобразователей Параметр Ток на первичной стороне Изолированные драйверы затворов Максимальная рабочая частота Электромагнитные помехи Коммутация Диапазон изменения нагрузки Диапазон входных напряжений Возможность запараллеливания выходных каскадов Использование силового трансформатора Система управления

И с т о ч н и к и п и та н и я

20

Смещение по постоянному напряжению Надежность Энергетическая эффективность Потери в режиме пониженного энергопотреб­ ления в долях от номинальной мощности, % Стоимость

Стандартная топо­ Улучшенная то­по­ Новая тополо­ логия (см. рис. 5) логия (см. рис. 6) гия (см. рис. 1) 1 4 1,2 Лучше ZVS, ZCS

3

Приемлемо Хорошо ZVS ZVS, ZCS Ограниченный Неограниченный Примерно одинаковый для всех преобразователей Требуется дополнительное управление каскадами

Простое

Не оптимальное

Оптимальное По специальным Стандартная алгоритмам Возможно Исключено Приемлемая Лучше Хорошая Примерно одинаковая для всех вариантов 1,5 Стандартная

Рис. 4. Напряжения и токи в преобразователе (см. рис. 3), полученные при входном напряжении 400 В, выходном напряжении 14,2 В и токе 280 А

www.elcp.ru

2

0,15 Выше стандартной

Ниже стандартной

Методика подсчета номинальных параметров компонентов резонансной цепи изложена в [12]. Для достижения хороших показателей качества для добротности дросселя LRES должно выполняться соотношение Q > 7. На рисунке 3 показана схема прототипа с указанием номиналов, рассчитанного на выходную мощность 4 кВт, входное напряжение 280…440 В и выходное напряжение 14 В. На рисунке 4 приведены кривые напряжений и токов, полученные при входном напряжении 400 В, выходном напряжении 14,2 В и токе 280 А. В преобразователе использованы следующие компоненты: – Q1, Q2 — IXSN80N60BD1; – Q3, Q4 — IXKN75N60C; – Q5, Q6, Q7, Q8 — IRF2804, 7 параллельно; – D1, D2 — DSEI2×101-06A. В таблице 1 проведено сравнение рассмотренного преобразователя с преобразователем, использующим при управлении сдвиг фаз (см. рис. 5) и его улучшенной версией [1], представленной на рисунке 6. Сравнение проводилось при условии равных для всех преобразователей входного напряжения, выходных напряжений и токов. В рассмотренном преобразователе (см. рис. 1) напряжение, прикладываемое к обмотке трансформатора, имеет трапецеидальную форму, а ток близок к синусоидальной форме с коэффициентом заполнения 0,9—0,95, который практически не изменяется в зависимости от входного напряжения. Последнее является преимуществом данного типа преобразователя, т.к. в этом случае уменьшаются потери в трансформаторе от высших гармоник тока и можно достичь большей рабочей частоты, уменьшить размеры трансформатора и его стоимость. Когда преобразователь работает в режиме ШИМ, он подобен источнику тока — в период времени t1—t3 энергия, запасенная в индуктивности LRES, передается через трансформатор в нагрузку. Упрощенная схема выпрямления снижает стоимость преобразователя. В настоящее время его цена примерно на 10% ниже стоимости преобразователя

Рис. 5. Схема стандартного преобразователя, использующего управление со сдвигом фаз

Литература 1. Jung-Goo Cho, Ju-Won Baek, ChangYong Jeong and Geun-Hie Rim. Novel ZeroVoltage and Zero-Current-Switching Full-Bridge PWM converter using a simple auxiliary circuit, IEEE Transactions on Industry Applications 35(1),15—20,1999.

2. Hong Mao, Jaber Abu-Qahouq, Shiguo Luo and Issa Batarseh. Zero-Voltage-Switching Half-Bridge DC/DC-сonverter with modified PWM control method, IEEE Transactions on Power Electronics, 19(4), 947—958, 2004.

3. H. Li, F.Z. Peng, J. Lawler. Modeling, simulation, and experimental verification of soft-switched bi-directional DC/DC-сonverters, IEEE APEC 2001, vol. 2, 736—744

Рис. 6. Схема улучшенного преобразователя, использующего управление со сдвигом фаз 4. H. Li, F. Z. Peng, J. S. Lawer. A natural ZVS medium-power bi-directional DC/DC-converter with minimum number of device, IEEE Trans­actions on Industry Applications 39(2), 525—535, 2003.

5. Patent 5,157,593 US Oct. 20, 1992 Con­ stant frequency resonant DC/DC-converter.

6. Ke Jin and Xinbo Ruan. Hybrid full-bridge three-level LLC resonant converter — a novel DC/DC-converter suitable for fuel Cell Power System, IEEE PESC2005 pp. 361—367.

7. Yilei Gu, Zhengyu Lu and Zhaoming Qian. Three level LLC series resonant DC/DC-con­ verter, IEEE APEC 2004 pp.1647—1652.

8. Bo Yang, Fred C. Lee, Alpha J. Zhang and Guisong Huang. LLC resonant converter for front end DC/DC-conversion, IEEE APEC 2002 pp.1108—1112.

9. R. Oruganti, P. C. Heng, J. T. K. Guan, L. A. Choy. Soft-switched DC/DC-converter with PWM control, IEEE Transactions on Power Elec­ tro­nics, 13(1), 102—113, 1998.

10. S. N. Raju and S. Doralda. An LCL re­so­ nant con­verter with PWM control-analysis, si­mu­la­tion and implementation, IEEE Transac­ tions on Power Electronics, 10 (2), 164—173, 1995.

11. Henze C. P., Mohan N., Hayes J. G. Patent 4,855,888 US Aug. 8, 1989. Constant frequency resonant power converter with zero voltage switching.

A. Isurin and A. Cook. A novel resonant converter topology and its application, IEEE PESC 2001 pp. 1039—1044.

12. Isurin A., Cook A. Patent 6,483,731 US Nov.19, 2002. Topology resonance energy con­ ver­sion and inversion circuit utilizing a series ca­pa­citance multi-voltage resonance section.

13. Isurin A., Cook A. Resonant DC/DC-con­ verter boasts high power and wide load range// pow­e r­e lectronics.com/power_ma­n a­g e­m ent/ re­so­nant_dcdc_converter_0609/

электронные компоненты №8 2009

21 И с т о ч н и к и п и та н и я

со стандартной топологией. Еще одно преимущество рассматриваемого преобразователя — возможность работы и в понижающем, и в повышающем режимах с сохранением в обоих случаях мягкой коммутации. Следует отметить и другие преимущества. Эффективное использование всех компонентов преобразователя, малые потери в ключах, возможность работы выпрямителя без сглаживающего дросселя, очень малые потери в режиме пониженного энергопотребления. Рассмотренная топология хорошо подходит для DC/ DC-преобразователя, работающего с входным напряжением свыше 200 В и мощностью более 2 кВт.

Выбор входного конденсатора понижающего преобразователя Джошуа Манделкорн (Josh Mandelcorn), технический специалист, Texas Instruments Как правило, разработчики источников питания основное внимание уделяют выходным конденсаторам, полагая, что именно они обеспечивают требуемое качество выходного напряжения. В общем случае это действительно так, но ошибочный выбор входного конденсатора может заметно понизить качество изделия. В статье кратко рассматриваются основные моменты, которые следует учесть при выборе входного конденсатора. Введение

И с т о ч н и к и п и та н и я

22

При проектировании источников питания очень важным считается выбор выходного конденсатора, величина и параметры которого тесно связаны с требованиями по ограничению пульсаций и шума выходного напряжения. Потребитель готов платить за качество выходного конденсатора, хотя зачастую параметры входного конденсатора играют куда более важную роль при проектировании понижающего преобразователя. Его частотные характеристики и место расположения на печатной плате в значительной степени определяют успешность разработки и могут влиять даже на выходной шум. Нагрузка на входной конденсатор более велика, чем на выходной, по крайней мере по двум параметрам. Скорость изменения величины тока, протекающего через входной конденсатор, выше, чем через выходной, поэтому его расположение и параметры играют важную роль при ограничении всплесков напряжений, возникающих на индуктивности рассеяний на крутых фронтах импульсов тока. Помехи, возникающие при этом, могут накладываться и на выходное напряжение. Также и среднеквадратичный ток, протекающий через входной конденсатор выше, нежели ток, протекающий через выходной конденсатор, поэтому при неверном его выборе возможен перегрев. Практические аспекты выбора входного конденсатора

Помехи, возникающие в источнике питания от крутых токовых фронтов, прямо пропорциональны скорости изменения тока dI/dT. На входной конденсатор воздействует напряжение прямоугольной формы. Ток изменяется от нуля, когда верхний ключ преобразователя закрыт, до максимального значения при откры-

www.elcp.ru

тии верхнего ключа. В современных силовых MOSFET время нарастания тока составляет 5 нс. Понятно, что при таких крутых фронтах индуктивности рассеяния создают «иголки» напряжения. Форма тока, протекающего через выходной конденсатор, в значительной степени сглажена дросселем фильтра. Пиковое значение выходного тока может быть ограничено. Обычно его пульсации не превышают 40% максимального тока нагрузки. При рабочей частоте 500 кГц, коэффициенте заполнения D = 10% и токе пульсации равном 40% от максимального тока нагрузки, ток через выходной конденсатор нарастает в течение 200 нс, что примерно в 100 раз медленнее, чем скорость нарастания входного тока. При увеличении коэффициента заполнения или уменьшении тока пульсаций отличие может быть и более впечатляющим. Из-за большого среднеквадратичного тока, протекающего через входной конденсатор и неидеальности конденсатора — наличия последовательного эквивалентного сопротивления (ESR) — возможен критический перегрев конденсатора вплоть до его отказа. Среднеквадратичный ток через входной конденсатор определится из выражения: (1) При входном напряжении 5 В и выходном напряжении 1,2 В величина D = 0,24. При этом IRMS входного конденсатора составит 43% от тока нагрузки. При входном напряжении 12 В и выходном — 1 В IRMS составит около 30% нагрузочного тока. Ток, проходящий через выходной конденсатор, имеет пилообразную форму. Его среднеквадратичное значение равно току пульсации дросселя (размах пик-пик) поделенному на ≈ 3,5. Для пони-

жающего преобразователя с током пульсации равным 40% от тока нагрузки среднеквадратичное значение тока через выходной конденсатор составит 12% нагрузочного тока, что в 2,5 раза меньше, чем через входной конденсатор. Наиболее часто в преобразователях применяются конденсаторы типоразмеров 0603–1420. Согласно документации на конденсаторы компании AVX, индуктивность выводов таких конденсаторов составляет около 1 нГн. Для танталовых и электролитических чипконденсаторов типоразмера 2917 паразитная индуктивность находится в диапазоне 4…7 нГн.

ESR керамического конденсатора размером 1210 с максимально допустимым напряжением 6,3…12 В составляет 1…2 мОм. Типичное значение ESR танталовых конденсаторов: 50…150 мОм. Именно значения ESR и ограничивают максимальный среднеквадратичный ток. Другими словами, IRMS ограничен нагревом конденсаторов. Так, IRMS керамического конденсатора не должен превышать 3 А, а танталового — 0,5 А. Но в последних разработках — мультианодных танталовых конденсаторах — удалось снизить паразитные индуктивности и емкости почти вдвое. Пример применения

Рассмотрим в качестве примера преобразователь 6 А с диапазоном входных напряжений 1,2…12 В и рабочей частотой 300 кГц, созданный на основе контроллера TPS40190 компании Texas Instruments. Приоритеты пользователя при построении схемы: низкая стоимость и простая ведомость покупных изделий. В качестве входного и выходного конденсаторов предлагается использовать стандартные конденсаторы напряжением 16 В и емкостью 22 мкФ. Эти конденсаторы рассчитаны на среднеквадратичный ток 3 А, при этом их нагрев невелик. В

худшем случае, когда входное напряжение составляет 5 В и D ≈ 0,25, в соответствии с (1) IRMS ≈ 2,6 А. Пульсации выходного напряжения предусмотрены менее 20 мВ (пикпик). Индуктивность выходного дросселя выбрана 2,2 мкГн, а пульсации тока через него составляют 1,8 А — 30% от максимального выходного тока. Пульсации напряжения при рабочей частоте F и малых ESR и индуктивности выходного конденсатора составят: . Пульсации от пика до пика входного напряжения составляют 200 мВ (см. рис. 1), что в 10 раз больше, чем требуется для выходного напряжения (см. рис. 2). Если вместо одного входного конденсатора использовать три, то пульсации входного напряжения все

же будут превышать пульсации выходного напряжения более чем в три раза. По требованию заказчика пульсации входного напряжения не должны превышать 100 мВ, поэтому во входной цепи следует использовать три конденсатора. Если входной керамический конденсатор размещен рядом с алюминиевым электролитическим конденсатором, то из-за большой паразитной индуктивности последнего всплески максимального напряжения на конденсаторе могут возрасти примерно на 3 В. Возрастание напряжения также возможно примерно на ту же величину при размещении керамического конденсатора на расстоянии 1,2 см от силовых ключей. Очень важно, чтобы паразитная индуктивность байпасного конденсатора была невелика и он располагался как можно ближе к силовым ключам.

Рис. 1. Пульсации на входном конденсаторе при входном напряжении 13 В и токе нагрузки 6 А (50 мВ/дел.)

Рис. 2. Пульсации на выходном конденсаторе при входном напряжении 13 В и токе нагрузки 6 А (5 мВ/дел.)

Новости телеком и мультимедиа

| Sony выпустит 3D-телевизоры, игровые консоли и ноутбуки | Компания Sony объявила на выставке потребительской электроники IFA 2009 в Берлине, что планирует активно развивать направление трехмерного изображения. Уже со следующего года в продажу начнут поступать различные продукты Sony с 3D-дисплеями. Во-первых, будет выпущен телевизор BRAVIA, на котором объемное изображение можно будет увидеть с помощью специальных очков. Компания обещает высокую частоту кадров и разрешение 1080p для обоих изображений (для правого и левого глаз). Кроме того, поддержку 3D-изображения получат игровая консоль Sony PlayStation 3, ноутбуки VAIO и Blu-Ray-плееры. Также планируется выпуск трехмерных стереоскопических игр. Подробности о новых продуктах с поддержкой трехмерного изображения станут известны позже. www.russianelectronics.ru

И с т о ч н и к и п и та н и я

23

электронные компоненты №8 2009

ПУШПУЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ. ЕЩЕ ОДИН ВЗГЛЯД Аджи Хари (AjAy K. Hari), инженер по применению, National Semiconductor В статье, представляющей собой сокращенный перевод [1], рассмотрен двухтактный пушпульный преобразователь, работающий в режиме управления по напряжению. Даны рекомендации, позволяющие обеспечить устойчивость работы преобразователя в этом режиме. Названы и обоснованы области применения данного решения, и показаны преимущества по сравнению с преобразователями с иной топологией.

Введение

Двухтактная схема в пушпульных, полумостовых и мостовых преобразователях позволяет получить более высокую эффективность преобразования энергии и большую плотность мощности по сравнению с однотактными схемами, такими как обратноходовые и прямоходовые преобразователи. Поэтому двухтактная топология популярна во многих приложениях, особенно в телекоммуникациях и автоэлектронике. Разработчики, хорошо знакомые с двухтаткными схемами, знают, что режим управления по току обычно применяется для пушпульных и мостовых схем, тогда как режим управления по напряжению, как правило, используют в полумостовых схемах. Двухтактный преобразователь склонен к насыщению сердечника трансформатора. Любая асимметрия вольтсекундной характеристики между двумя фазами работы приводит к асимметрии магнитного потока, что вызывает возрастание постоянного тока. В полумостовой схеме один вывод первичной обмотки трансформато-

ра соединен с центральной точкой конденсаторного делителя входного напряжения, и несимметричность вольтсекундной характеристики приводит к смещению центральной точки конденсаторного делителя либо к земле, либо к входному напряжению. Режим управления по току компенсирует эту тенденцию, и потенциал центральной точки возвращается к исходному уровню. Если длительность одной фазы дольше другой в режиме управления по напряжению в полумостовой схеме, то приложенное к трансформатору напряжение уменьшается, т.к. конденсатор разряжается больше, и напряжение на нем падает. Таким образом происходит регулирование вольтсекундной характеристики. Поэтому смещение потенциала центральной точки конденсаторного делителя играет роль отрицательной обратной связи и предотвращает насыщение трансформатора. Таким же образом необходимо ввести и отрицательную обратную связь в двухтактном преобразователе при работе в режиме управления по напряжению.

И с т о ч н и к и п и та н и я

24

Рис. 1. Схема двухтактного пушпульного преобразователя

www.elcp.ru

Асимметрия вольтсекундной характеристики в пушпульном преобразователе

Рассмотрим пушпульный каскад, показанный на рисунке 1. Когда ключ Q1 открыт, входное напряжение V IN за вычетом падения напряжения на сопротивлении ключа R DS(ON) и омическом сопротивлении обмотки (DCR) прикладывается к трансформатору в течение времени TON. Вольтсекундное произведение V . TON пропорционально амплитуде изменения магнитной индукции B. Когда ключ Q1 открыт, рабочая точка магнитного сердечника перемещается из А в А’ (см. рис. 2). Изменение магнитного потока пропорционально произведению V . TON . Таким же образом при открытии ключа Q2 рабочая точка перемещается обратно в третий квадрант из А в А’. На рисунке 2 показан идеальный вариант, когда длительность открытого состояния обоих ключей одинакова. При этом ток намагничивания не имеет постоянной составляющей и максимальное значение токов в обоих полуобмотках одинаково. На практике подобные случаи почти не встречаются, т.к. помимо одинакового времени включения в фазах необходимо еще и совпадение сопротивлений DCR и RDS(ON) в обеих частях схемы. Также из-за разности в динамических характеристиках ключей (время включения/выключения) неодинаковой оказывается и длительность открытого состояния ключа в каждой фазе. Следует учесть и джиттер генератора сигналов. Все перечисленное приводит к асимметрии фаз и смещению цикла перемагничивания от исходной точки (см. рис. 3). Поэтому токи намагничивания в полуобмотках различны. Если асимметрия фаз не компенсируется, то кривая перемагничивания смещается в сторону насыщения. При этом индуктивность обмотки уменьшается, и ток намагничивания резко возрастает, что приводит к отказу преобразователя.

Рис. 2. Симметричный магнитный поток

Рис. 3. Асимметричный магнитный поток

И с т о ч н и к и п и та н и я

26

При режиме управления по току во внутреннем (токовом) контуре управления ток первичной обмотки в каждом цикле сравнивается с сигналом ошибки, и вырабатывается управляющее воздействие, изменяющее вольт­секундную характеристику таким образом, чтобы уравновесить пиковый ток в обеих фазах. Как показано на рисунке 1, ток первичной обмотки складывается из тока намагничивания и тока нагрузки. Поэтому из-за быстрого изменения нагрузки возможна небольшая асимметрия фаз, но обычно она не приводит к сколько-либо существенным последствиям, т.к. величина BPEAK существенно меньше BSAT. В режиме контроля по напряжению в каждом выходном цикле выходное напряжение сравнивается с заданным. Величина тока намагничивания не используется для выработки управляющего воздействия. Таким образом, режиму управления по напряжению не присуще балансирование рабочей характеристики и возврат частной кривой намагничивания трансформатора в исходное состояние. Следовательно, чтобы избежать насыщения сердечника, необходимо ввести отрицательную обратную связь, которая поможет сба-

www.elcp.ru

лансировать вольтсекундную характеристику. Зачем нужен режим контроля по напряжению в пушпульном преобразователе?

Естественно, возникает вопрос: если режим управления по току предотвращает насыщение сердечника трансформатора, то зачем рассматривать режим управления по напряжению для подобного типа преобразователя? И почему мы рассматриваем именно пушпульный преобразователь, а не какой-либо иной? Ответ достаточно прост. Для ряда приложений характерен широкий диапазон изменений питающих напряжений. Например, в автомобильной электронике при холодном пуске двигателя напряжение может уменьшаться до 6 В, а в рабочем режиме увеличиваться до 15 В. Подобный провал напряжения делает бесперспективным применение мостовой или полумостовой схемы с драйверами верхних ключей. В пушпульном преобразователе оба ключа — нижние, поэтому он отлично подходит для приложений с малым входным напряжением. При малых, близких к нулю значениях токов, режим управления по току становится чув-

ствительным к помехам. Длительность импульсов ШИМ может существенно отличаться от требуемой. Чтобы избежать этих проблем, к линейно изменяющемуся сигналу, используемому для генерации импульсов ШИМ, добавляют дополнительный линейно изменяющийся сигнал, увеличивая тем самым его амплитуду. С одной стороны, это стабилизирует работу ШИМ, но, с другой, усложняет управление и создает ряд проблем.

– При отсутствии или очень малой нагрузке величина дополнительного сигнала более зависит от напряжения, чем от тока, что может привести к неадекватной компенсации и возникновению колебаний.

– При величине заполнения более 50% дополнительный сигнал играет позитивную роль, однако при меньшей величине заполнения вновь возникают те же проблемы, приводящие к появлению колебаний. Приведенные выше соображения показывают, что режим управления по напряжению в пушпульном преобразователе является привлекательным решением для многих приложений с пониженным входным напряжением и при большом диапазоне изменения нагрузки.

Проектирование пушпульного преобразователя, устойчиво работающего в режиме управления по напряжению

[VIN – Im(RDS(ON) + DCR)] . TON

(1)

Полагая, что длительность одной фазы больше другой на Δt, новое зна-

Рис. 4. Иллюстрация эффекта от введения воздушного зазора в сердечник трансформатора

чение тока можно описать выражением: Im(new) = V(T + Δt)/Lm

(2)

Im(new) = Im + ΔIm

(3)

или

Увеличение тока приводит к возрастанию мощности, рассеиваемой в MOSFET. Сопротивление RDS(ON) MOSFET имеет положительный температурный коэффициент, и поэтому RDS(ON) также возрастет. После алгебраических преобразований получим: [VIN – (Im + ΔIm) RDS(ON) + DCR].(TON + Δt) (4) Из-за возрастания падения напряжения благодаря увеличению R DS(ON) и намагничивающему току уменьшается напряжение, прикладываемое к трансформатору, что, в свою очередь, компенсирует большее время открытия силового ключа в данной фазе. Возникает эффект отрицательной обратной связи, и асимметрия вольтсекундной характеристики уменьшается в течение нескольких циклов переключения. Это приводит к устойчивой работе преобразователя — рабочий цикл перемагничивания укладывается в безопасную зону кривой намагничивания, которая имеет небольшое смещение из-за эффекта подмагничивания (имеется постоянная составляющая в токе намагничивания). На рисунке 3 показан пример, когда рабочий цикл смещен,

но находится в пределах безопасной зоны. Постоянная составляющая в намагничивающем токе возникает из-за неодинаковости пиковых токов. Также и добавление балластных резисторов в каждое плечо преобразователя обеспечивает отрицательную обратную связь, но в этом случае значительно возрастают потери, и уменьшается эффективность преобразователя. В статическом режиме кривая намагничивания пушпульного преобразователя перемещается между первым и третьим квадрантами. Однако при запуске или в результате переходных процессов кривая намагничивания может изменяться от начальной точки. В этом случае при том же приращении ΔB, что и в статическом режиме, сердечник трансформатора может оказаться в зоне насыщения, что приведет к значительному возрастанию тока и выходу преобразователя из строя. Этого можно избежать, вводя мягкий старт и пошаговое ограничение предельного тока, благодаря чему при опасном возрастании тока, возможном в переходных процессах, прервется цикл, и преобразователь перезапустится. Пример схемной реализации пушпульного преобразователя приведен в [1]. Литература 1. Ajay K. Hari Voltage-Mode Push-Pull Con­ver­ters Deserve a Second Look. http://pow­ er­electronics.com/power_semiconductors/vol­ ta­gemode_pushpull_converters_0309/

электронные компоненты №8 2009

27 И с т о ч н и к и п и та н и я

Как уже говорилось, при работе в режиме управления по напряжению в пушпульном преобразователе неизбежно возникает асимметрия фаз. Однако существуют и меры стабилизации, способные устранить этот недостаток. Воздушный зазор в сердечнике трансформатора увеличивает удельное магнитное сопротивление. Магнитная проницаемость µ сердечника трансформатора обратно пропорциональна удельному магнитному сопротивлению. Таким образом, воздушный зазор уменьшает наклон петли гистерезиса (см. рис. 4) и отдаляет момент насыщения сердечника. Другими словами, введение воздушного зазора позволяет увеличить постоянную составляющую тока намагничивания. Воздушный зазор — это тоже отличное средство уменьшить влияние разброса магнитных материалов при серийном производстве. Без воздушного зазора индуктивность прямо пропорциональна магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника, свойства которого существенно зависят от температуры и характеристик материала сердечника. Последние варьируются в очень широких пределах. Введение воздушного зазора уменьшает зависимость индуктивности от магнитной проницаемости µ ферромагнитного материала и увеличивает стабильность и повторяемость характеристик трансформаторов. Как показано на рисунке 4, воздушный зазор уменьшает индуктивность, в результате чего возрастает пиковый ток, следовательно, уменьшается эффективность преобразователя. Но в большинстве случаев этот эффект не очень значителен. Как следует из рисунка 1, вольтсекундная характеристика при пушпульной схеме определяется следующим образом:

Источники питания Mean Well: энергосбережение во время спада экономики 2009 г. Сергей Кривандин, технический руководитель бизнес-юнита «Источники питания», ЗАО «Компэл» Евгений Звонарев, инженер-консультант, ЗАО «Компэл» Обзор новых источников питания Mean Well стал уже традиционным в тематическом выпуске «Источники питания» журнала «Электронные компоненты» [1, 2]. Эта динамично развивающаяся компания не растерялась в кризисной ситуации и сосредоточила усилия на разработке и выпуске двух групп источников питания: для светодиодного освещения и модулей питания с энергосберегающими свойствами. Статья посвящена краткому инженерному обзору новинок этой продукции.

Источники питания Mean Well для светодиодного освещения

Рынок мощных светодиодов для осветительной техники постоянно расширяется и охватывает все больше новых сфер применения. Именно светодиодное освещение позволяет снизить потребление электроэнергии и резко увеличить срок эксплуатации осветительных приборов. Длительность работы светодиодных светильников в большой степени зависит от стабильности параметров питания, а точнее от корректного выбора модуля питания, соответствующего конкретным условиям эксплуатации. Быстро ориентироваться среди выпускаемых AC/DC-преобразователей Mean Well для питания мощных светодиодов поможет навигатор, показанный на рисунке 1. Одним из основных критериев выбора AC/DC-преобразова­ теля для светодиодных уличных светильников является степень защиты от неблагоприятных воздействий окружающей среды (пыли, песка, воды, высоких и низких температур).

Степень защиты определяется соответствующими международными стандартами IP (Ingress Protection), что в переводе на русский язык означает защиту корпуса прибора от твердых частиц, предметов и воды. Первая цифра стандарта характеризует уровень защиты от пыли, мелких частиц и механических повреждений; вторая цифра — защиту от проникновения внутрь корпуса воды или влаги. Источники питания Mean Well для светодиодного освещения хорошо знакомы читателям [2—4]. В настоящей статье дается краткий обзор этих многочисленных семейств.

AC/DC-преобразователи для светодиодов со встроенным корректором коэффициента мощности (ККМ)

Максимальной защитой (по стандарту IР67 или IP65) обладают серии CLG-060/100/150 и HLG-240 в металлическом корпусе. Степень защиты зависит от варианта подключения входных проводов и нагрузки. Конечно, вариант с подключением через клеммные колодки не обе-

28

Рис. 1. Навигатор для выбора AC/DC-преобразователей Mean Well для питания мощных светодиодов

WWW.ELCP.RU

спечивает защиты от воды, но такой способ очень удобен, если модуль питания расположен в недоступном месте для влаги и воды. HLG-240 — это расширение серии CLG в сторону увеличения мощности до 240 Вт, что, несомненно, будет востребовано в новых разработках. Внимание: модули серии CLG-060 имеют высокий уровень пульсаций на выходе (справедливо только для выходной мощности 60 Вт). Модули CLG-100/150/240 имеют уровень пульсаций 150 мВ (200 мВ для выхода 48 В). Новая серия модулей PLC-30/60/100 подключается к нагрузке с помощью клемм и не имеет защиты от внешних воздействий по стандарту IP. Фактически, это модули серии PLN-30/60/100, но с подключением при помощи клеммных колодок. Однако в этом случае удобство подключения обменивается на отсутствие защиты. Новая серия PLP-30/60 — это модули открытого исполнения с диапазоном рабочих температур –30...70°С. Все рассмотренные выше серии имеют встроенный активный ККМ, что во многих случаях является обязательным требованием для современных приборов.

AC/DC-преобразователи для светодиодов без встроенного ККМ

30

Современные требования допускают отсутствие ККМ только для относительно низких выходных мощностей (в рассматриваемых сериях до 60 Вт). Отсутствие корректора коэффициента мощности позволяет уменьшить габариты модуля и снизить цену. Серии LPH-18, LPHC-18, LPV-20/35/60 и LPC-20/35/60 имеют высокий класс защиты корпуса IР67 (полная защита от пыли, допускается частичное или полное погружение в воду на глубину от 15 см до 1 м). Новая серия LPHC-18 предназначена для питания светодиодных светильников стабилизированным током 350 или 700 мА, что позволяет отказаться от дополнительных драйверов светодиодов, снизить цену и упростить конструкцию осветительного прибора. Рабочий диапазон температур модулей серии LPHC-18 составляет –30...70°С для работы вне помещений. Модули серии LPH-18 обеспечивают на выходе стабилизированное напряжение при широком диапазоне входных напряжений 90…264 В AC и в диапазоне рабочих температур –30…70°С. Серии LPV-20/35/60 и LPC-20/35/60 также удовлетворяют стандарту защиты IP67. Их отличие заключается в том, что модули LPV обеспечивают на выходе стабилизированное выходное напряжение (CV mode, или Constant Voltage mode — режим постоянного напряжения), а изделия серии LPC формируют на выходе стабилизированный ток (CC mode, или Constant Current mode — режим постоянного тока). Конечно, рассмотренные AC/DC-преобразователи можно использовать не только для светодиодных светильников, но и для питания приборов систем безопасности, промышленной автоматизации и многих других приложений. Новые источники питания PLC для светодиодов в пластиковом корпусе

Пластиковые корпуса новой серии источников питания для светодиодов — PLC-30/60/100 являются модификацией существующих моделей серии PLN-30/60/100. В то же время, они были перепроектированы: подключение осуществляется не к кабелю, а к расположенной в корпусе клеммной коробке, что обеспечивает большую свободу при подключении и протяжке проводки. Через два небольших отверстия с резиновыми пробками пользователь может с легкостью отрегулировать выходной ток или выходное напряжение PLC-30/60/100, не снимая при этом корпус. При помощи потенциометров уровень тока на выходе в этих моделях можно отрегулировать

WWW.ELCP.RU

в пределах 75—100% или 75—103%, в зависимости от модели; напряжение — в пределах 85—100% или 95—110% от номинальной величины, в зависимости от модели. Кроме того, источники питания PLC-30/60/100 являются источниками с ограничением выходной мощности. Они выполнены по стандарту UL 1310, класс 2, в соответствии с которым источник питания ни при каких обстоятельствах не должен выдавать более 100 В∙А или 5 А. Это во многом повышает безопасность техников, выполняющих установку или обслуживание системы светодиодного освещения. Благодаря инновационной технологии переключения при нуле тока и напряжения (ZCS/ZVS), КПД моделей семейства PLC составляет 89%. Они могут работать в температурном диапазоне –30...50°С при естественном воздушном охлаждении. Со встроенным активным ККМ модели PLC соответствуют ограничениям стандарта EN61000-3-2 класса C по синусоидальному току в осветительном оборудовании при выходной нагрузке 75% и выше. Кроме того, коэффициент мощности (PF) станет выше 0,9, если выходная нагрузка превысит 75%. Наиболее подходящей сферой применения этих новых источников питания являются бегущие строки и подсветка, декоративное и архитектурное освещение со светодиодами, освещение на сцене и в театрах с применением светодиодов и светодиодные дисплеи. Энергосберегающие источники питания

Энергосберегающими источниками питания называют изделия с высоким КПД, низким собственным энергопотреблением в режиме работы без нагрузки (дежурном режиме). Кроме того, такие источники питания могут иметь функцию дистанционного включения/выключения и низкоточный дежурный выход 5 или 12 В. Источники питания со свойствами энергосбережения компания Mean Well предлагает в разных классах изделий: встраиваемые источники питания в кожухе/корпусе, открытые источники питания для монтажа в корпус прибора, источники питания на DIN-рейку, сетевые адаптеры питания. Энергосберегающие встраиваемые источники питания Mean Well серии HRP(G)

Компания Mean Well начала производство новых серий источников питания HRP(G), отвечающих возрастающей потребности рынка в энергосберегающих электронных устройствах. Особенности изделий серий HRPG: – низкое собственное энергопотребление при работе на холостом ходу < 0,5 Вт, – дистанционное включение/выключение; – выход дежурного напряжения 5 В/0,3 А. Серии HRP представляют собой базовые модели, а HRPG — полнофункциональные версии. Символ G в названии означает Green Mode — «зеленый», т.е. энергосберегающий режим. В настоящий момент уже выпускается линейка источников питания мощностью 150, 300 или 600 Вт (см. табл. 1). Модули мощностью 75 Вт находятся в разработке. Источники питания HRP(G) представляют собой компактные закрытого исполнения AC/DC-преобразователи со встроенным ККМ, что соответствует требованиям стандарта EN61000-3-2. По сравнению с предыдущей серией SP компании Mean Well, новые модули — более компактные и обладают большим КПД. Размеры источника питания серии HRP(G) на 23—43% меньше по сравнению с первым поколением, а КПД увеличен на 5—13%. Другой особенностью изделий серий HRP, HRP(G) является устойчивость к импульсам входного сетевого напряжения до 300 В в течение 5 с, что очень востребовано в

условиях отечественных сетей с нестабильным напряжением. В источниках питания Mean Well серии HRP(G) предусмотрен полный комплекс защит: от короткого замыкания, перегрева и перенапряжения и перегрева. Имея высокий КПД, встроенный активный ККМ, миниатюрные размеры, низкое собственное энергопотребление и пятилетнюю гарантию, семейство HRP(G) является одним из самых высококачественных продуктов в ряду источников питания Mean Well закрытого типа. Функция компенсации падения напряжения на длинных проводах к удаленной нагрузке позволяет точно поддерживать выходное напряжение. Источники питания HRP-150, HRP-300 и HRP-300, HRPG-300 можно использовать в 1U низкопрофильных устройствах (высота модулей всего 38 или 41 мм, соответственно). Источники питания HRP-600 и HRPG-600 дополнительно имеют выход сигнала наличия выходного напряжения, а модели с выходом 24 или 48 В можно включать в параллель по схеме (3+1). Источники питания HRP и HRPG предназначены для применения в промышленной автоматизации, различных электронных устройствах, светодиодных бегущих строках, измерительном оборудовании и в других областях, требующих низкого собственного энергопотребления приборов. Источники питания RSP-1000/1500/2400/3000 с высоким КПД и функцией параллельного включения

Mean Well представила новый источник питания в закрытом корпусе RSP-2400 мощностью 2400 Вт, занимающий промежуточное положение между уже существующими модулями на 1500 и 3000 Вт. Основные параметры AC/ DC-преобразователей серии RSP сведены в таблицу 2. С выпуском нового RSP-2400 у пользователей появилась возможность выбрать источник питания с активным корректором коэффициента мощности в ряду 500, 600, 1000,

1500, 2400 или 3000 Вт. Коэффициент мощности модулей RSP-2400 превышает 0,95. Благодаря новой схеме с малыми потерями мощности, использованной при создании RSP-2400, КПД источника питания достигает 91,5%. При удельной мощности 12,5 Вт/дюйм3 RSP-2400 способен работать с полной нагрузкой при температуре до 50°C. Выходное напряжение источника питания можно дистанционно изменять в пределах 20—110% от номинального значения с помощью входного сигнала 1…5,5 В от внешнего источника питания. Источники питания серии RSP-2400 можно включать в параллель по схеме (1+1) без внешних развязывающих цепей. К стандартным функциям серии RSP относятся дистанционное включение/выключение, компенсация падения напряжения на длинных проводах к нагрузке, дополнительный выход 12 В/0,1 А, сигнализация (выход TTL и релейный контакт) о состоянии выхода DC OK. В источниках питания RSP-2400 защита от перегрузки организована по принципу ограничения выходного тока с задержкой выключения, что позволяет использовать этот источник питания для работы с индуктивной или емкостной нагрузкой. Если же пользователю требуется постоянный ток для заряда аккумулятора, то с помощью джампера функцию выключения источника можно полностью отключить. Как и все другие модули серии RSP, изделия RSP-2400 удовлетворяют требованиям стандартов UL, CUL, TUV, CB, CE и могут использоваться в светодиодных экранах, системах промышленной автоматизации, передачи данных, системах заряда аккумуляторов, машинах для лазерной резки и т.д. Энергосберегающие источники питания Mean Well RPS/D/T(G)-160 открытого типа

Низкопрофильные открытые источники питания размерами 5''×3'' для монтажа на шасси RPS(G)-160, RPD(G)-160 и RPT(G)-160 серий (см. рис. 2) предназначены для применения в медицинской технике и IT-приложениях, требующих миниатюрных размеров. Новые серии отлично дополняют

Таблица 1. Новые AC/DC-преобразователи серий HRP и HRPG

HRP-75*

Мощность, Вт Выходные напряжения, В Диапазон рабочих температур Потребление без нагрузки, Вт Наличие выхода Standby 5 В/0,3 А

HRPG-75*

75

Не нормируется —

HRP-150

HRPG-150

HRP-300

150

< 0,5 есть

300 3,3; 5; 7,5; 12; 15; 24; 36; 48 –30…70°С Не нормируется < 0,5 Не нормируется — есть —

HRPG-300

HRP-600

HRPG-600

600

< 0,5 есть

Не нормируется —

< 0,5 Есть

* Серии в стадии разработки

Таблица 2. AC/DC-преобразователи серии RSP* (1000–3000 Вт)

Выходная мощность, Вт Выходные напряжения, В Диапазон рабочих температур Габаритные размеры, мм

RSP-1000

RSP-1500

RSP-2400

RSP-3000

1000 12; 15; 24; 27; 48 –20…50°C@100% 295×127×41

1500 5; 12; 15; 24; 27; 48 –20…70°C@100% 278×127×83,5

2400 12; 24; 48 –20…70°C@100% 278×177,8×63,5

3000 12; 24; 48 –20…70°C@100% 278×177,8×63,5

* Встроенный ККМ и возможность параллельного включения

электронные компоненты №8 2009

31

Малый ток утечки 300 мкA при входном напряжении 264 В переменного тока позволяет использовать эти источники питания в медицинском оборудовании, не находящемся в контакте с пациентом. Сигнал наличия выходного напряжения, компенсация падения напряжения (для одноканальных моделей) и комплекс защит от короткого замыкания, перегрузки, перенапряжения и перегрева дают возможность применять источники питания серии RPS(G)-160, RPD(G)-160 и RPT(G)-160 в высокотехнологичном оборудовании, в т.ч. реализованном в конструктивах 1U. GS220 — новый экологичный блок питания от Mean Well Рис. 2. Низкопрофильные открытые источники питания RPS(G)/RPD(G)/ RPT(G)-160

Рис. 3. Сетевой адаптер питания GS220, выполненный по энергосберегающим стандартам

линейку открытых источников в диапазоне мощностей 140…160 Вт, что дает более гибкий выбор для конечных пользователей. Источники питания выпускаются с одним RPS(G)-160, двумя RPD(G)-160 или тремя RPT(G)-160 выходами. «Зеленые» серии с литерой G отличаются от базовых версий RPSG/RPDG/RPTG низким собственным энергопотреблением менее 0,75 Вт при работе без нагрузки и наличием дежурного выхода 5 В/0,5 А. Источники питания RPS(G)/RPD(G)/RPT(G)-160 имеют встроенный ККМ по EN61000-3-2. При свободной воздушной конвекции они выдают 100…110 Вт, а для работы на полной мощности 145…160 Вт требуется принудительное охлаждение со скоростью обдува 20,5 CFM (592 дм3/мин).

32

Вслед за выпуском семи серий «зеленых» адаптеров GS12, GS18, GS25, GS40, GS60, GS90 и AS-120P [5] мощностью 12...120 Вт компания Mean Well предлагает новый экологичный блок питания GS220 (см. рис. 3) мощностью 220 Вт. Низкое собственное потребление менее 0,5 Вт при работе без нагрузки и высокий КПД более 94,5% в дежурном и рабочем режимах позволяют применять GS220 в самом современном переносном, портативном промышленном или офисном оборудовании. Сетевой адаптер GS220 подключается к сети через стандартный трехконтактный разъем с выводом заземления, что позволяет надежно предохранить пользователя от удара электрическим током. Источник питания выпускается в нескольких вариантах с фиксированным выходным напряжением 12...48 В.

GS220 соответствует требованиям сертификатов TUV, UL, CUL, CB, BSMI, CE, FCC и CCC по безопасности и электромагнитной совместимости. Подробную информацию об этих и других источниках питания можно найти на специализированном сайте http://ps.compel.ru, а также в каталоге продукции компании «Компэл» http://catalog.compel.ru. Литература 1. Новые источники питания Mean Well. Год 2008// Электронные компоненты, 2008, №8.

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

3. Источники питания для светотехники и светодиодных светильников//Новости электроники, 2008, №17.

4. Источники питания для светодиодных дисплеев и наружной световой рекламы//Электронные компоненты, 2008, №10.

5. Энергосберегающие источники питания Mean Well// Электронные компоненты, 2008, №12.

События рынка

| Главные ИТ-менеджеры затрудняются оценить финансовый эффект от аутсорсинга | Шесть из десяти опрошенных Warwick Business School ИТ-директоров (CIO) европейских компаний затруднились оценить экономическую отдачу от услуг аутсорсинга. Тем не менее, по данным National Outsourcing Association, это не помешало им увеличить расходы на аутсорсинговые контракты в 2008 г. на 12%. По данным исследования, проведенного Warwick Business School, всего одна из пяти европейских компаний, пытающихся хоть как-то посчитать экономическую выгоду от использования аутсорсинга, может назвать точную сумму, затраченную на услуги сервис-провайдеров.

63% опрошенных финансовых директоров (CFO) обвиняют CIO в том, что те не в состоянии оценить экономический эффект от аутсорсинга для бизнеса. Соответственно, те из компаний-респондентов, кто в прошлом году сократил свои расходы на аутсорсинг, объяснили этот шаг невозможностью точно определить его экономическую целесообразность. Проведенное исследование подчеркнуло необходимость более внимательного подхода аутсорсинговых компаний к взаимодействию с заказчиками — с командами как CIO, так и CFO, чтобы добиться реальных преимуществ. Всего в исследовании участвовали ИТ- и финансовые директора 250 предприятий Великобритании, Франции, Герма­ нии, Швейцарии, Бенилюкса и Скандинавии. Респонденты представляют разные отрасли, но все демонстрируют оборот свыше £300 млн в год. Они тратят на аутсорсинг от £3 млн до £60 млн, при этом 61% заявляют о своих планах увеличить сумму в следующем году. www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU

Транзисторные инверторы для электропитания средств связи Геннадий Сорокин, вед. специалист-разработчик, ЗАО «ММП-Ирбис» Иван Кузин, вед. специалист-разработчик, ЗАО «ММП-Ирбис» Михаил Кастров, гл. инженер, ЗАО «ММП-Ирбис»

.

В статье рассмотрены инверторы, разработанные и выпускаемые ЗАО «ММП-Ирбис». Проведен сравнительный анализ инверторов, предназначенных для работы с аппаратурой связи, по мощности, коэффициенту гармоник, КПД, массо-габаритным показателям и т.д. Инвертор напряжения — это преобразователь постоянного напряжения в переменное. Инверторы давно и широко применяются для питания переменным током самых разнообразных устройств — от маломощных бытовых приборов в автомобиле до энергоемких нагрузок в десятки киловатт на транспорте и производстве. Инверторы незаменимы при построении систем бесперебойного питания переменного тока. Такие системы необходимы для питания нагрузок, не допускающих даже кратковременных перебоев в подаче электропитания. В последнее время бурно развивается производство альтернативных источников электроэнергии, таких как солнечные батареи и ветроэнергетика. Электроэнергия, выработанная этими источниками, не может быть эффективно использована без предварительного преобразования в одну из стандартных форм. Эта задача успешно решается с помощью транзисторных инверторов. Все чаще инверторы используются в качестве стабилизаторов — нормализаторов сети. В бизнес-центрах, на предприятиях к сети подключено огромное количество оргтехники. Сетевые источники питания компьютеров, мониторов начинаются с выпрямителя и емкостного накопителя (нелинейная нагрузка). При массовом использовании таких приборов гармонический состав сетевого напряжения часто выходит за допустимые пределы. В этом случае нагрузка, нуждающаяся в напряжении высокого качества, подключается к инвертору с синусоидальным выходным напряжением, а сам инвертор получает питание от сети через понижающий выпрямитель. В таблице 1 приведены результаты замеров гармонического состава сети в одном из офисов Москвы и выходного напряжения инвертора. Далеко не все потребители электроэнергии предъявляют серьезные требования к качеству напряжения. Компьютеры, электроинструмент, многие бытовые приборы вполне сносно работают при питании от инверторов с квазисинусоидальной формой выходного напряжения (см. рис. 1). В настоящее время на рынке присутствует множе-

ство моделей этого класса в диапазоне мощности от 50 Вт до единиц киловатт. В основном это аппараты производителей из Юго-Восточной Азии, у которых на первом плане стоит вопрос минимальной себестоимости Обеспечение требуемого качества электроэнергии, необходимой защиты, вопросы электромагнитной совместимости и удаленного мониторинга, как правило, в этих устройствах не рассматриваются и не реализуются. Кроме того, производители оборудования, которое можно подключить к такому инвертору, не гарантируют его нормальной работы при питании от источника напряжения с параметрами, отличными от стандартной промышленной сети. Например, персональный компьютер, питаемый квазисинусоидальным напряжением, выполняет все свои функции, однако на экране монитора присутствуют помехи и возникают проблемы с сетевым подключением. Пускорегулирующие устройства люминесцентного освещения издают повышенный акустический шум. В автоматике газовых котлов не работает система автоматического поджига, а циркуляционные насосы потребляют повышенную мощность и перегреваются. В режиме малых нагрузок выходное напряжение такого инвертора может существенно превышать номинальное. Для питания нагрузок, особо критичных к форме питающего напряжения, выпускаются инверторы с синусоидальной формой выходного напряжения (см. рис. 2). Эти инверторы сложнее и дороже «квазисинусоидальных», однако практически любое оборудование соответствующей мощности, рассчитанное на подключение к промышленной сети, может получать электропитание от инверторов этого класса. Особо следует выделить инверторы, предназначенные для совместной работы с аппаратурой связи. В настоящее время в России действуют «Правила применения оборудо-

Таблица. 1. Гармонический состав выходного напряжения инвертора и промышленной сети Активная мощность (Pn), Вт Коэффициент гармоник, THD, %

Вес высших гармоник

1 3 5 7 9 11

Инвертор 750 300 1 0,5 100,00 100,00 0,90 0,30 0,20 0,00 0,10 0,00 0,10 0,00 0,00 0,00

Сеть 4,7 99,90 4,10 1,00 1,60 0,10 0,10

Рис. 1. Ток и напряжение инвертора с квазисинусоидальной формой напряжения при работе на нелинейную нагрузку

электронные компоненты №8 2009

33

нию качества передаваемой аудиоинформации. По­дав­ ление пульсаций на частоте 100 Гц дополнительными низкочастотными фильтрами приводит к существенному увеличению массогабаритных показателей изделия и не всегда приводит к желаемому результату. Инверторы компании ЗАО «ММП-Ирбис». Состав серии

Рис. 2. Ток и напряжение инвертора с синусоидальным выходным напряжением при работе на нелинейную нагрузку

В полном объеме обеспечить выполнение требований ППОЭСС компании ЗАО «ММП-Ирбис» удалось при разработке инверторов серии «ИН» для питания аппаратуры связи. Состав серии и основные параметры инверторов, входящих в серию, приведены в таблице 3. Все инверторы серии объединены единым конструктивным решением: ширина — 19 дюймов при высоте 1U. Структурная схема

Рис. 3. Структурная схема инвертора

34

вания электропитания средств связи» (ППОЭСС), утвержденные приказом Министерства информационных технологий и связи РФ № 21 от 03.03.2006 г. Эти правила жестко регламентируют не только требования к качеству выходного напряжения инверторов и инверторных систем, но и параметры электромагнитной совместимости. Только для связных инверторов введен контроль группы электрических параметров, характеризующих влияние инвертора на первичный источник постоянного тока, к которому подключен инвертор (см. таблицу 2). Это объясняется тем, что к одной и той же шине подключено функциональное телекоммуникационное оборудование и инвертор, создающий пульсации на частоте 100 Гц и высших гармониках. Наличие этих пульсаций может привести к сбоям питаемого оборудования и снижеТаблица 2. Электрические параметры, характеризующие влияние инвертора на первичный источник Наименование параметра Действующие значения пульсаций напряжения гармонический составляющих, мВ, не более: - в диапазоне частот до 300 Гц; - 300 Гц...150 кГц Действующее напряжение пульсаций напряжения суммы гармонических составляющих, в диапазоне частот от 25 Гц до 150кГц, мВ, не более Псофометрическое значение пульсаций, мВ, не более

WWW.ELCP.RU

Предельное отклонение 50 7 50 2

Все инверторы серии построены по единой схеме с двойным преобразованием энергии (см. рис. 3). Входное напряжение конвертируется импульсным преобразователем (ПН) в стабилизированное высокое напряжение промежуточной шины. ПН представляет собой сдвоенную однотактную схему с прямым включением диода и общим дросселем фильтра. Сдвоенная структура применяется для снижения пульсаций тока в выходном и входном дросселях. Гальваническая развязка обеспечивается силовыми импульсными трансформаторами. Промежуточная шина 325 В дополнена электролитическими конденсаторами большой емкости. Высоковольтная шина с емкостным накопителем служит буфером между пульсирующим выходным и постоянным входным напряжениями. Благодаря ее большой емкости инвертор обладает высокой мгновенной перегрузочной способностью и нечувствительностью выходного напряжения к переходным процессам в нагрузке. Схема управления СУ1 обеспечивает работу силовых транзисторов преобразователя. Коэффициент заполнения импульсов силовых ключей — величина переменная и зависит от текущего значения ряда параметров: – уровня входного напряжения; – тока нагрузки инвертора; – уровня сигнала параметрической компенсации пульсаций входного тока; – уровня сигнала выравнивания тока при параллельной работе нескольких инверторов. Схема управления СУ1 построена на базе микросхемы двухканального ШИМ-контроллера UC3846. Вторая ступень преобразования — собственно инвертор напряжения (ИН). В нем использована классическая схема полного моста с выходным фильтром низкой частоты. Инверторные ключи коммутируются на частоте 20 кГц. Выбор рабочей частоты является компромиссом между габаритными размерами электромагнитных компонентов и снижением акустического шума, с одной стороны, и величиной коммутационных потерь — с другой. В качестве силовых ключей моста инвертора используются IGBTтранзисторы с интегрированным быстродействующим обратным диодом. Типовое время восстановления диода составляет 40 нс. Введение фиксированной задержки на включение транзистора после выключения транзистора, ранее проводившего ток, гарантирует отсутствие сквозных токов в стойке моста. Это обстоятельство особенно ценно при проектировании инверторов с повышенными требовании к электромагнитной совместимости, т.к. высокочастотные помехи, формирующиеся в паразитных емкостях и индуктивностях монтажа при сквозных токах, в этом случае просто отсутствуют. В отличие от мощных МОПтранзисторов, IGBT-транзисторы обладают нелинейным дифференциальным сопротивлением в открытом состоя-

нии, что положительно сказывается на нагрузочной характеристике моста в режиме кратковременных перегрузок. Фильтр низких частот на выходе инверторного моста представляет собой однозвенный LC-фильтр с частотой среза около 1 кГц. Он предназначен для выделения огибающей напряжения с частотой 50 Гц из последовательности модулированных импульсов частотой 20 кГц. Работа схемы моста полностью управляется схемой управления СУ2. Основа схемы управления — 8-разрядный микропроцессор RISC-архитектуры. Синусоида задается таблицей в памяти микроконтроллера (МК), где номера ячеек привязаны к фазе выходного напряжения. МК использует т.н. режим «быстрый ШИМ», в котором период коммутации задан, а длительность импульса находится в регистре сравнения. Регистр сравнения регулярно обновляется очередным значением из таблицы. Схема управления СУ2 выполняет следующие дополнительные функции: – обеспечение защиты от перегрузок по току и короткого замыкания; – контроль теплового режима силовых элементов инвертора; – управление скоростью вращения вентилятора; – управление выходным контактором. Последняя функция позволяет решить вопрос соответствия инвертора требованиям ППОЭСС по надежности. Наработка на отказ инверторов должна быть не менее 150 тыс. ч. Все используемые элементы схемы инвертора, кроме вентилятора, позволяют обеспечить заданную наработку. Этот показатель для доступных вентиляторов с шариковыми подшипниками составляет 50 тыс. ч. В данном случае проблема решается выбором вентиляторов с избыточной производительностью и принудительным ограничением скорости вращения в зависимости от уровня загрузки инвертора. Кроме того, ограничение скорости вращения вентилятора существенно снижает уровень акустического шума. Основное назначение узла МВН — мониторинг входного напряжения. Схема разрешает работу СУ1 и СУ2 в том случае, если текущее значение входного напряжения находится в заданных пределах. Для исключения неоднозначности формирования команды на остановку (запуск) устройства на крайних значениях диапазона входного напряжения в МВН предусмотрен гистерезис. Дополнительная функция МВН — формирование вспомогательных гальванически-развязанных напряжений для питания схем управления всего инвертора и интерфейса параллельной работы. Кроме того, МВН управляет силовым входным контактором. Команда на включение контактора подается только при выполнении следующих условий: – полярность поданного входного напряжения верна; – уровень входного напряжения находится в заданном диапазоне. СУ3-схема синхронизации и контроля также выполнена на 8-разрядном микроконтроллере. Основная задача схемы — обеспечение параллельной работы инверторов, объединенных в систему. Фазовая подстройка выходных напряжений отдельных инверторов в системе осуществляется воздействием схемы СУ3 на СУ2 с помощью синхроимпульса и данных, переданных по последовательному интерфейсу. Корректное деление токов происходит за счет обмена данными между инверторами, что обеспечивает точную подстройку напряжения на промежуточной высоковольтной шине каждого инвертора. Схема СУ3 задает и корректирует уставку стабилизации напряжения для схемы СУ1. Схемы СУ3 отдельных инверторов связаны друг с другом через цифровой интерфейс. Следует отметить, что для обеспечения параллельной работы инверторов не требуются какие-либо дополнительные устройства (кон-

а)

б) Рис. 4. Инвертор ИНУ1500С1: а) комбинированное (К); б) стоечное исполнение (С)

Рис. 5. Инвертор ИНУ 1500С1С: 1 — сигнальные контакты мультиразъема; 2 — силовые контакты мультиразъема; 3 — направляющие для установки в шкаф

троллер, хаб и т.д.). Достаточно соединить параллельно выходные цепи с соблюдением фазировки и подключить к общей шине интерфейс каждого инвертора. Перед замыканием выходного контактора каждый инвертор проводит проверку правильности фазировки и обеспечивает синхронизацию. Не требуется также и предварительная нумерация инверторов в системе — это происходит автоматически при первом включении. В устройстве предусмотрена возможность «горячей» замены инверторов при работе в системе. При включении инвертора в работающую систему происходят следующие события: – входное напряжение поступает на МВН, и через ограничительный резистор происходит заряд входных емкостей без броска тока; – МВН обеспечивает вспомогательным питанием все схемы управления инвертора; – анализируется полярность и уровень входного напряжения. В случае соответствия этих параметров норме формируется команда на включение входного контактора и запуск инвертора; – анализируется напряжение и его фаза на выходной шине, осуществляется подстройка по фазе и амплитуде; Таблица 3. Основные параметры инверторов серии «ИН» № п/п Наименование Выходная мощность, ВА 1 ИНЕ650С1 900 2 ИНЕ1300С1 1800 3 ИНУ750С1 1050 4 ИНУ1500С1 2100 5 ИНЮ750С1 1050 6 ИНЮ1500С1 2100 7 ИНТ750-1С 1050 8 ИНТ1500-1С 2010 9 ИНК750-1С 1050 10 ИНТК500-1С 2010

Входное напряжение, В 20,4…28 20,4…28 40,5…57,8 40,5…57,8 48…72 48…72 88…125 88…125 180…245 180…245

электронные компоненты №8 2009

35

Таблица 4. Основные характеристики инверторов Параметр

Входное напряжение Отношение пульсаций тока к номинальному входному току Выходное напряжение, действующее значение Частота выходного напряжения Коэффициент искажения синусоидальной кривой: - резистивная нагрузка; - нелинейная нагрузка Нестабильность выходного напряжения от тока нагрузки КПД Коэффициент мощности «Крест-фактор» Длительность работы при перегрузке на выходе: - до 115%; - до 110%; - свыше 110% Пиковый выходной ток: - для изделий серии ИН650, ИН750; - для изделий серии ИН1300, ИН1500 Потребляемая мощность в режиме короткого замыкания Диапазон рабочих температур Диапазон температур хранения Расчетное время наработки на отказ Прочность изоляции, действ.: - вход–корпус; - выход–корпус; - вход–выход Габаритные размеры, (В×Ш×Г) Число параллельно включенных инверторов Точность деления токов при параллельном включении

36

WWW.ELCP.RU

Мин. Ном. Макс. Ед. изм.

20 40 48 88 180

24 48 60 110 220

30 60 75 125 245

5 214 49,5

220 50

–3 85

В

% 226 50,5

В~ Гц

1 4 3 88 0,67

% % %

3:1 неогр.

30 5

с

15 30

А 50

5 –50 200 тыс.

40 85

500 1500 1500 44,36×482,6×346,5 6 5

Вт °С °С ч В мм %

– просматривается сетевой ресурс интерфейса на предмет свободного места, и при необходимости модифицируется номер инвертора, производится проверка работоспособности, и подается команда на замыкание выходного контактора. Инвертор включается в систему, и происходит перераспределение тока нагрузки. Конструкция

Инвертор выполнен в 19-дюймовом металлическом корпусе высотой 1U. В зависимости от мощности инвертора, 750 или 1500 Вт, в корпусе размещаются одна или две силовые платы. Такое решение позволяет повысить живучесть системы питания, построенной на базе инверторов. Если инвертор мощностью 1500 Вт нагружен на 50% нагрузки, и при этом происходит отказ одной из силовых плат, инвертор продолжает работать, отдавая половину мощности в нагрузку. Оператор получает информацию через «сухие» контакты об аварии. Разработаны два исполнения инверторов — стоечное (С) и комбинированное (К). Комбинированное (см. рис. 4а) ориентировано на самостоятельную работу инвертора вне системы. Прибор можно располагать на столе, в шкафу, на стеллаже. Все подключения осуществляются со стороны передней панели. Стоечное исполнение (см. рис. 4б) специально разработано для установки в 19-дюймовый шкаф. Все подключаемые цепи вынесены на заднюю стенку и находятся в мультиразъеме (см. рис. 5), содержащем силовые и сигнальные соединители. Соединение с ответной частью разъема про­исходит автоматически при установке изделия в соответствующий отсек шкафа. Для совмещения обеих частей разъема и их последующей фиксации предусмотрены специальные направляющие. Основные характеристики инверторов приводятся в таблице 4.

Analog Devices: новые компоненты для цепей питания Алексей Власенко, инженер по применению, Analog Devices В статье дается выборочный обзор некоторых новых импульсных преобразователей и контроллеров; представлена уникальная в своем роде программа ADISimPower, обеспечивающая быстрый подбор компонентов и проектирование схемы питания, а также подробно рассматривается новый аналогово-цифровой контроллер для блоков питания ADP1043. Компания Analog Devices в течение последних двух лет значительно расширила линейку компонентов, предназначенных для схем электропитания. В настоящее время компания производит довольно-таки большой спектр продукции в этой области: это микросхемы для контроля заряда аккумуляторов, микросхемы для ЖК-дисплеев, для «горячего» включения [1], супервизоры, устройства для управления последовательностью включения источников питания [2], преобразователи на переключающихся конденсаторах и другие микросхемы, предназначенные для обеспечения и контроля электропитания. Контроллеры ADP1821, ADP1822, ADP1828 и ADP1829: компактное решение для импульсного блока питания на большие токи

Это семейство импульсных понижающих контроллеров (см. рис. 1), обеспечивающих выходное напряжение в широких пределах и ток до 25 А (в зависимости также от внешних транзисторов). Рабочая частота довольно высо-

ка: до 1200 кГц, что позволяет использовать небольшую индуктивность и получить компактную конструкцию. Для ADP1821 и ADP1822 требуется отдельное питание 5 В, в то время как входное напряжение собственно силовой цепи может достигать 24 В. ADP1822 имеет дополнительные функции управления выходным напряжением. Для ADP1828 отдельного низковольтного питания, как правило, не требуется, он может работать при напряжении до 18 В. Для управления затвором «верхнего» транзистора имеется встроенная схема зарядовой накачки.

ADP1829 — контроллер импульсного преобразователя с двумя выходами на разное напряжение. Подобно ADP1828, контроллер не требует отдельного низковольтного питания. Контроллер ADP1864: прямая и более выгодная замена импульсных контроллеров LTC1772 и LTC3801

ADP1864 (см. рис. 2) — контроллер понижающего преобразователя в очень компактном исполнении — в кор-

37 Рис. 1. Схема семейства контроллеров ADP1821, ADP1822, ADP1828 и ADP1829

Рис. 2. Схема контроллера ADP1864

электронные компоненты №8 2009

Аналого-цифровой контроллер для сетевых блоков питания ADP1043

ADP1043 предназначен для построения импульсных преобразователей напряжения питания типа AC/DC или DC/DC с гальванической развязкой. Это микросхема со смешанными сигналами (AFE), имеющая встроенный АЦП, ЦАП, ШИМ модулятор и цифровой процессор. В данном контроллере имеется энергонезависимая память, в которой сохраняются конфигурационные параметры. Управление контроллером производится с помощью интерфейса I2C. Возможности ADP1043

Рис. 3. Схема семейства контроллеров ADP1610, ADP1612 и ADP1613

пусе TSOT-6. Рабочая частота 600 кГц, КПД достигает 94%. Устройство требует подключения внешнего транзистора, входное напряжение до 14 В, обеспечиваемый ток — до 2 А.

ADP1864 разработан для замены контроллеров импульсных преобразователей LTC1772 и LTC3801, представляя собой более дешёвое и качественное альтернативное решение. Контроллеры ADP1610, ADP1612 и ADP1613: компактное решение для повышающих преобразователей

Данное семейство (см. рис. 3) — повышающие импульсные преобразователи в очень компактных корпусах со встроенным ключевым транзистором. ADP1610 работает при входном напряжении 2,5...5,5 В и обеспечивает до 12 В на выходе. Рабочая частота (700 кГц или 1,2 МГц) выбирается с помощью входа. КПД до 92%. Ток через ключ — до 1,2 А.

ADP1612 и ADP1613 обеспечивают напряжение до 20 В при входном напряжении от 1,8 В (ADP1612) или 2,5 В (ADP1613). Рабочая частота устанавливается с помощью входа.

Гибкость. Одна и та же микросхема применяется в разных схемах с различной топологией. Например, у вас разработана схема и конструкция прямоходового преобразователя питания на основе ADP1043, и вы собираетесь разрабатывать полумостовой преобразователь. Этот контроллер можно реконфигурировать, использовать его в новой конструкции и за счёт этого сократить число используемых типов компонентов, а значит, снизить издержки. Высокие динамические характеристики. Про­грам­ ми­ру­емый переходный процесс. Можно запрограммировать этот контроллер с помощью интерфейса I2C и сформировать передаточную характеристику по своему усмотрению. Высокий КПД. Микросхема позволяет реализовать сложные алгоритмы работы и достичь высокого КПД за счёт того, что рабочий режим преобразователя меняется в зависимости от тока нагрузки. Например, на рисунке 4 показана конфигурация источника питания, состоящая из двух симметричных частей. При больших токах нагрузки она работает в режиме «чередования», но если ток снижается до некоторого заранее установленного значения, то схема питания переходит в «однофазный» режим. Это позволяет повысить КПД при малых токах нагрузки. На рисунке 5 показаны зависимости КПД от тока нагрузки для однофазного и двухфазного режимов. Видно, что при малых токах однофазный режим обеспечивает существенное преимущество.

38

Рис. 4. Симметричная конфигурация с двухфазным «чередованием»

WWW.ELCP.RU

Рис. 5. Зависимость КПД преобразователя от тока в разных режимах работы

Рис. 6. Двухступенчатый преобразователь на основе ADP1043

Другой пример конфигурации — двухступенчатый преобразователь — показан на рисунке 6. Первый каскад понижает напряжение и обеспечивает стабилизацию. Второй каскад работает в режиме стабильного входного напряжения, без обратной связи, и обеспечивает высокий КПД. Такая конфигурация рекомендуется для систем с большим выходным током и позволяет повысить КПД примерно на 1% по сравнению с аналогичной одноступенчатой схемой. «Умная» система управления питанием. Воз­мож­ ность передавать данные о состоянии системы становится стандартной функцией подобных систем, востребованной производителями электронной аппаратуры. Управляющий процессор с помощью цифрового интерфейса может в любой момент получить информацию о таких параметрах как токи, напряжение, температура или об аварийном состоянии системы питания. Это повышает надёжность системы и позволяет реализовать дополнительные функции, например отключение питания при определённых условиях перегрузки. Малое время выхода на рынок — сегодня эта характеристика продукта является одним из главных требований со стороны разработчика. Если у вас имеется схема, разработанная на базе ADP1043, и вам понадобилась новая система питания с другими параметрами, с другими функциями, другим уровнем мощности и т.д., можно реконфигурировать и перепрограммировать функции контроллера и обойтись минимальными изменениями в схеме и конструкции. Это позволяет существенно сократить время разработки и конструирования и скорее выйти на рынок с готовым изделием. Кроме того, предлагаются удобные и быстрые средства разработки. Средства разработки. Фирма Analog Devices поставляет оценочные наборы для ADP1043, как и практически для всех своих продуктов, и в качестве исходного прототипа (референс-дизайна) очень удобно использовать оценочную плату. Разумеется, вместе с оценочным набором поставляется и подробная документация. Оценочный набор представляет собой конструкцию, состоящую из двух плат. Одна из них — это базовая, силовая часть, содержащая трансформаторы, силовые транзисторы и прочую обвязку; вторая — небольшая навесная дочерняя плата с контроллером ADP1043. Дочернюю плату можно использовать с различными базовыми платами или со сконструированным вами прототипом. В комплекте разработчика имеется программное обеспечение — среда разработчика с интуитивно понятным графическим интерфейсом. Это программное обеспечение позволяет управлять конфигурацией и параметрами контроллера, менять

частотную характеристику петли регулирования и загружать данные в контроллер через интерфейс I2C, причём делать это, когда система находится в рабочем состоянии, непосредственно наблюдая все изменения в динамике. Интерфейс программы прост, интуитивно понятен и действует по принципу drag-and-drop.

ADISimPower

ADISimPower представляет собой среду разработки, интерактивный программный продукт, предназначенный для подбора компонентов и для проектирования цепи питания как импульсного, так и линейного блока питания. Программа ADISimPower доступна по адресу http://designtools.analog.com/dtPowerWeb/dtPowerMain. aspx.

ADISimPower имеет простой, интуитивно понятный интерфейс, с помощью которого вводятся исходные данные проекта. ADISimPower предлагает возможные варианты выбора по различным критериям оптимальности: минимальная стоимость, минимальные размеры, минимальное число компонентов и максимальная эффективность. Программа ADIsimPower™ позволяет спроектировать требуемую систему питания всего за четыре простых шага. Шаг 1. Ввод исходных данных для проекта: – вводятся требования к источнику питания или выбирается необходимая микросхема. Шаг 2. Просмотр возможных решений: – из списка выбирается возможное решение на основе оценки параметров. Шаг 3. Просмотр деталей проекта: – знакомство со схемой, динамически изменяющимся списком компонентов, графиками КПД и другими ключевыми параметрами. Оптимизация схемы с точки зрения стоимости, КПД, размеров или числа компонентов. Шаг 4. Создание проекта: – выбор оценочной платы, сборочной документации, чертежа печатной платы и всего остального, что необходимо для реализации разработки. После выбора решения вы с минимальными усилиями получаете готовую схему блока питания вместе со списком компонентов, а также графики кривых КПД, потерь и частотной характеристики петли регулирования стабилизатора. Литература 1. «Горячее подключение»: теория и пример конструкции. Маркус О'Салливан, пер. А. Власенко, КиТ 4/2009.

2. Analog Devices представляет: решение проблемы последовательного включения и управления источниками питания. Алан Молони, перевод А.Власенко, КиТ 12/2006.

электронные компоненты №8 2009

39

Светодиодные источники питания Mean Well Олег Сергеев, инженер по технической поддержке, ЗАО «АВИТОН» Применение светодиодов в освещении становится все более популярным. В связи с этим в статье рассматриваются вопросы построения осветительных систем с использованием мощных светодиодов, а также причины востребованности таких систем. Проводится также краткий обзор источников питания компании Mean Well (Тайвань) для светодиодов, рассматриваются характеристики источников питания, даются рекомендации по их выбору.

40

В настоящее время стремительно растёт предложение светодиодов, готовых решений и компонентов для построения светодиодных осветительных систем. Одной из причин такого спроса является необходимость экономии средств, что было очевидно и ранее. Наступивший финансовый кризис лишь усилил эту необходимость. В Европе применение энергетически неэффективных устройств будет ограничено при помощи не так давно принятой директивы EuP. В частности, уже с сентября 2009 г. будут ограничены продажи ламп накаливания мощностью более 80 Вт. В дальнейшей перспективе планируется постепенно вывести из обращения все неэффективные виды ламп. Вторая причина — экология. Состояние окружающей среды занимает всё более значительное место среди приоритетных интересов промышленно развитых стран. Экология страдает от неэффективного использования электроэнергии за счёт теплового загрязнения окружающей среды, а также из-за выбросов вредных веществ при производстве электроэнергии. Многие из существующих типов ламп содержат опасные для здоровья человека вещества (например, ртуть и её соединения). Использование подобных веществ при изготовлении различных изделий в Европе регулируется директивой RoHS. Под её действие подпадают изделия, содержащие свинец, ртуть, кадмий, шестивалентный хром, а также некоторые органические вещества. Введение этой директивы создало дополнительные препятствия для дальнейшего распространения и использования таких типов ламп как ртутные. В настоящее время для освещения используются источники света различного типа. В числе самых распространённых типов источников можно назвать лампы накаливания, галогенные, люминесцентные и газоразрядные лампы (ртутные, натриевые, неоновые). В настоящее

время все они достаточно широко распространены. Чтобы понять преимущества светодиодов, сравним основные параметры указанных основных типов источников освещения со светодиодами. Типичные значения характеристик различных источников света приведены в таблице 1. Необходимо сказать несколько слов и о затратах при использовании различных типов ламп. Начальные затраты для светодиодного решения могут быть выше, чем у решения с лампами накаливания или люминесцентными лампами. Однако если рассматривать полные затраты, которые несёт пользователь в течение всего срока эксплуатации, то картина меняется. При одном и том же световом потоке (который определяется требованиями приложения) светодиоды потребляют значительно меньше энергии, чем лампы накаливания, галогенные и люминесцентные. За весь срок службы системы пользователя, который может составлять десятки лет, разница в потреблённой электроэнергии довольно значительна. Учитывая увеличивающуюся стоимость электроэнергии, выгода от уменьшения энергопотребления может оказаться сравнимой со стоимостью приложения. Кроме того, необходимо учесть больший срок службы светодиодов, что позволяет реже заменять лампы в случае решения на светодиодах, а значит, затрачивать меньше средств на покупку сменных ламп. Более наглядно пояснить разницу в сроке службы светодиодов и обычных ламп поможет простой расчёт. Срок службы лампы накаливания 1 000 ч = 42 дня = 1,4 мес. Срок службы светодиодов 60 000 ч = 2 500 дней = 6,8 года. Подводя итоги сравнения источников света, можно увидеть, что наибольшей эффективностью обладают газоразрядные лампы и мощные светодиоды, однако светодиоды имеют больший срок службы и не содержат опасных веществ. Кроме того, светодиоды доступны с

Таблица 1. Сравнение характеристик различных источников света Типы источников света

Энер­ге­ти­ческая эффек­тив­ность, лм/Вт

КПД до, %

Срок службы, тыс. часов

до 15

2,5

1…3

Галогенные

до 25…26

3

2…4

Люминесцентные

60…110

18

2…20

Металл-галидные лампы

70…120

17

9…12

Натриевые газоразрядные

до 200

30

15

Мощные светодиоды

до 150

30

50…60

Лампы накаливания

* Таблица составлена по данным каталогов фирм-производителей.

WWW.ELCP.RU

Опасные вещества Нет

Есть

Нет

различными цветами свечения и различными оттенками белого цвета, позволяют легко изменять интенсивность света без изменения характеристик излучения, хорошо работают при низких температурах, не создают УФ-излучения. Таким образом, светодиоды обладают параметрами не хуже, чем у других источников света, не имея их недостатков. Поэтому повышение интереса к использованию светодиодов для освещения становится понятным и оправданным. Обсуждая источники питания (ИП), необходимо начать с рассмотрения областей их применения, поскольку именно применение определяет требования к характеристикам ИП. Светодиодное освещение применяется весьма широко, например в таких областях как: – декоративная и архитектурная наружная подсветка; – рекламные вывески и надписи; – освещение витрин; – потребительские товары; – встроенные и висячие светильники; – подсветка сцены и театра; – системы машинного зрения; – подсветка аварийных выходов и аварийное освещение; – наружное освещение: улицы, парковки, туннели; – освещение офисных и коммерческих помещений; – освещение в автономных энергетических системах, работающих с солнечной или ветровой энергией. Для систем уличного освещения требуются широкий диапазон температур, высокая степень защиты IP, регулировка интенсивности, коррекция коэффициента мощности. Для рекламных надписей и вывесок необходима высокая степень защиты IP, простота установки, гибкое решение. Для освещения офисных и коммерческих помещений не требуется степень защиты, широкий диапазон температур, но необходимы коррекция коэффициента мощности, небольшие габариты, допускающие использование в имеющихся конструкциях светильников. Некоторые применения требуют функции регулировки интенсивности, как например освещение туннелей. В одних применениях требуется источник постоянного тока, в других — источник постоянного напряжения. Таким образом, диапазон требований настолько широк,

Рис. 1. Выходная характеристика источников питания Wean Well в режиме «Ток + напряжение»

что его невозможно удовлетворить при помощи однойединственной серии ИП. Компания Mean Well предлагает широкий ассортимент ИП, делая в своём модельном ряду особенный акцент на ИП для систем со светодиодами. В число источников, предназначенных для питания светодиодов, как правило, включаются изделия, обладающие одним из следующих свойств: – работа в режиме источника тока; – работа в режиме «Ток + напряжение»; – корпус со степенью защиты не менее IP64. Таблица 2 позволяет подробнее ознакомиться с возможностями серий. Ассортимент ИП для светодиодных применений, производимых компанией Mean Well, достаточно обширен и соответствует требованиям широкого спектра приложений. Ряд возможностей, имеющихся у источников питания Mean Well для светодиодных применений, следует рассмотреть подробнее. Напряжение и ток

Как правило, различают два режима работы ИП: с постоянным напряжением (источник напряжения) и с постоянным током (источник тока).

Таблица 2. Характеристики источников питания Mean Well для светодиодных применений На­име­но­ Мощ­ность, ва­ние Вт CLG150/240

Ток, А

150…240

3,2…18

CLG100

100

2…5

CLG60

60

1,3…5

100

2…5

PLN100 PLC100 PLN30/60

30…60

PLC30/60

30…60

PLN20

0,6…5

20

0,4…3

ELN30/60

30…60

0,6…3

LPL, LPH, LPV

18…60

0,5…8

LPC

20…60

0,35…1,75

PLP

30…60

0,6…5

18

0,35…0,7

LPLC, LPHC

Напря­ Корпус жение, В

Залитый

Сте­пень за­щи­ты IP

Режим работы

Коррекция коэффи­ Под­с трой­ Уровень шумов Управ­ циента мощности ка и пульсации ление

IP67/65 Металл

+

+

IP67

–

IP67

12…48

IP64 – 9…48

– Пластик

5…48 +

24…48

Ток + на­пря­же­ние

Нормальный

Нормальный

+

–

+

IP64 –

Высокий

IP64

Только ток

IP64

+

IP67

Напряжение

IP67

Ток

–

–

+ Нормальный

12…48 Открытый

–

–

Ток + на­пря­же­ние

+

Только ток

Высокий

6…48

+

IP67

Ток

–

–

Нормальный

Пластик

41

Высокий

–

электронные компоненты №8 2009

Рис. 2. Матричная схема включения светодиодов

ИП с постоянным напряжением обеспечивают постоянное выходное напряжение при любом токе нагрузки, не превышающем максимально допустимого тока. Если ток нагрузки превышает допустимый, то ИП переходит в режим ограничения тока. Этот режим является защитным и, как правило, значение максимального тока выдерживается с ощутимым разбросом, а его подстройка не предусматривается. Кроме того, в этом режиме могут не выдерживаться требования к некоторым параметрам ИП. ИП с постоянным током обеспечивают постоянный выходной ток в диапазоне от минимального до максимального значения выходного напряжения. Максимальное и минимальное допустимое выходное напряжение определяются схемотехникой источника питания. Если сопротивление нагрузки слишком велико, то источник питания переходит в режим ограничения напряжения. Источники питания Mean Well разработаны для работы в совмещённом режиме работы «Ток + напряжение» (см. таблицу 2). Это означает, что данные источники могут работать как в режиме источника напряжения, выдавая постоянное напряжение, так и в режиме источника тока, в зависимости от нагрузки. В любом из этих режимов источник питания имеет стабильные параметры, которые выдерживаются с высокой точностью. Типичная выходная характеристика такого источника питания приведена на рисунке 1. Управление

42

Другой возможностью, реализованной в ряде моделей, является регулирование значения выходного тока практически во всём диапазоне — от максимально допустимого до минимального значения (5—15% в зависимости от вида входного сигнала). Регулирование происходит путём подачи управляющего сигнала на специальный вход ИП. Возможны два вида управляющего сигнала: аналоговый сигнал напряжения 0...10 В или ШИМ-сигнал частотой 0,1...3 кГц с уровнями 0 и 10 В. Один светодиод не может обеспечить освещённость, необходимую для большинства применений. Следова­ тельно, необходимо соединение нескольких светоди­ о­дов, чтобы получить требуемую освещённость. При па­рал­лельном соединении светодиодов напряжение на них будет одинаковым (3…3,6 В), а суммарный ток будет определяться суммой токов светодиодов. Для каждого светодиода ток будет различным, поскольку имеется разброс характеристик светодиодов, яркость которых также будет различной. При последовательном соединении ток через светодиоды, а значит, и яркость будут одинаковыми.

WWW.ELCP.RU

Рис. 3. Схема включения цепочек светодиодов с балластным резистором

Различие напряжений на каждом светодиоде не имеет значения, поскольку яркость светодиодов зависит от тока, а для ИП в данном случае важно лишь суммарное падение напряжения на всех светодиодах в цепочке. Рассмотрим различные варианты схем управления светодиодами. Самая простая схема включения имеет матричную структуру (см. рис. 2). В этой схеме для управления светодиодами используется источник постоянного тока. Никаких дополнительных элементов, а именно — балластных резисторов, микросхем драйверов в этой схеме не требуется. Матричная структура этой схемы позволяет минимизировать потери от выхода из строя одного или нескольких светодиодов. Однако для выравнивания тока между отдельными светодиодами необходим их отбор по величине падения напряжения. В этой схеме в каждом столбце должны быть расположены светодиоды с одинаковым падением напряжения. Несоблюдение этого может привести к неконтролируемому разбросу токов между отдельными параллельными светодиодами, что может привести к их ускоренному выходу из строя. Легко видеть, однако, что все недостатки такой простой схемы подключения связаны именно с наличием нескольких параллельных цепочек светодиодов. Если используется только одна цепочка светодиодов (соединённых последовательно), то отсутствуют все параллельные соединения, и все проблемы с ними связанные. Таким образом, данная схема включения может быть применена только для одной цепочки светодиодов, или же в тех случаях, когда важнее удешевить конечный продукт, даже путём некоторого усложнения производства и ухудшения надёжности. В следующей схеме используются последовательные цепочки светодиодов с балластными резисторами (см. рис. 3). Для питания светодиодов может использоваться источник постоянного напряжения. В данной схеме ток определяется не только параметрами самих светодиодов, но и сопротивлением балластного резистора. Сопротивление резистора имеет бóльшую стабильность, чем параметры светодиодов, и, кроме того, оно выбирается разработчиком схемы — т.е. с его помощью можно управлять режимами работы схемы. По сравнению с предыдущей схемой, в этом случае можно добиться несколько лучшей равномерности распределения токов между цепочками светодиодов. Схема проста в изготовлении и не содержит дорогостоящих компонентов. Подбор светодиодов по величине падения напряжения не требуется. К минусам данной схемы можно отнести большие потери на резисторах и недостаточную точность распределения токов.

Данная схема — самая простая из схем управления светодиодами с использованием ИП постоянного напряжения. Ещё один вариант построения схемы — специализированные микросхемы драйверов для управления цепочками светодиодов (см. рис. 4). Ток в каждой цепочке светодиодов регулируется с помощью микросхемы драйвера светодиодов. Точность распределения токов определяется параметрами микросхемы драйвера, которые могут быть линейными и импульсными. Линейные драйверы имеют меньший КПД, чем импульсные, но не создают проблем с помехами и наводками. Стоимость такого решения несколько больше, чем остальных приведённых схем, но оно обеспечивает наилучшее распределение тока и позволяет использовать более распространённые ИП с постоянным напряжением на выходе. Кроме того, в эту схему можно добавить функции управления путём выбора соответствующего драйвера. Выбор источника питания сводится к следующей последовательности действий.

– Количество и тип светодиодов, необходимых для конкретного устройства, определяется исходя из требований к освещённости, рабочим дистанциям, габаритным размерам и прочим параметрам приложения.

– Определение схемы подключения светодиодов: например, прямое управление светодиодами с помощью специализированного ИП или схемы с микросхемой драйверов светодиодов, в зависимости от требований конкретного приложения.

– Определение требуемой мощности ИП для светодиодов на основе суммарной мощности, потребляемой схемой, с учётом необходимого запаса. Рекомендуемая величина запаса по мощности — 30—35%.

Рис. 4. Схема подключения светодиодов с использованием микросхемы драйвера

– Проверка необходимости наличия дополнительных возможностей в ИП (регулирование выхода, режим «Ток + напряжение»).

– Выбор ИП с подходящей степенью защиты IP в соответствии с условиями эксплуатации, конструкцией корпуса и диапазоном рабочих температур.

– Проверка допустимой выходной мощности для ИП при максимальной температуре окружающей среды. При необходимости мощность следует скорректировать.

– Определение необходимости использования ИП с коррекцией коэффициента мощности.

– Определение необходимости наличия сертификатов соответствия требованиям безопасности и иным нормативным документам.

электронные компоненты №8 2009

43

Модули защиты от помех Игорь Твердов, научный консультант, ООО «АЛЕКСАНДЕР ЭЛЕКТРИК источники электропитания» Сергей Затулов, нач. отд., ООО «АЛЕКСАНДЕР ЭЛЕКТРИК источники электропитания» .

Предприятие ООО «АЛЕКСАНДЕР ЭЛЕКТРИК источники электропитания» (АЭИЭП) выпускает для бортсетей унифицированный ряд модулей фильтрации радиопомех и защиты РЭА от импульсных выбросов напряжения в питающих цепях постоянного тока (МФЗ). МФЗ имеют две модификации — МРМ и МРО — и рассчитаны как на двухпроводные, так и на однопроводные сети постоянного тока. В настоящее время идут Государственные испытания (ГИ) модулей. Предприятие подготовило материалы для включения МФЗ БКЮС.468240.003-01 ТУ в новую редакцию перечня МОП 44001.18. В статье рассмотрены характеристики МФЗ, полученные на ГИ, приведены схемы включения МФЗ, позволяющие получить максимальный коэффициент подавления помех.

44

Предприятие АЭИЭП работает на российском рынке свыше 10 лет, разрабатывая и выпуская модули питания (МП) класса АС/DC и DC/DC в диапазоне мощностей 5…1200 Вт. Надежность работы МП зависит не только от выбора схемотехнических решений и элементной базы, но и от степени невосприимчивости к внешним помехам. В бортсетях импульсные помехи появляются при включении/выключении (сбросах/набросах) активных и реактивных нагрузок, от наводок электромагнитных полей, из-за влияния грозовых разрядов и т.д. Известно, что наведенные помехи в бортсетях достигают амплитуды 1000 В и длительности 10 мкс, а кондуктивные — до 150 В, и часто выводят МП из строя. Вместе с тем, и сами МП — высокочастотные импульсные преобразователи электрической энергии являются источниками радиопомех для электронной аппаратуры (ЭА). Чтобы не оставлять предприятия, заказывающие МП, один на один с этими проблемами, АЭИЭП выпускает МФЗ [1–3]. МП имеют на входе и выходе встроенные фильтры, которые подавляют радиопомехи до уровней, допустимых для многих применений. Для различной ЭА эти уровни отличаются более чем в 2,5 раза, и было бы экономически нецелесообразно для предприятия, выпускающего универсальные МП, встраивать фильтры, которые подавляют помехи до самого низкого уровня. Если для нормальной работы ЭА недостаточно подавления радиопомех за счет встроенных фильтров, используются внешние фильтры. МФЗ решают основную задачу подавления радиопомех от импульсных высокочастотных источников питания — противодействуют их распространению по проводам на входе/выходе. Помехи по проводам распространяются на большие расстояния, мешая работе расположенных рядом радиоприемных устройств. При выборе фильтров радиопомех учитывалось, что помехи могут распространяться как по симметричному, так и по несимметричному пути (см. рис. 1). Поскольку токи симметричной помехи Iпс циркулируют только по проводам, устранить их воздействие значительно проще (достаточно конденсатора между проводами), чем от несимметричной помехи Iпн1 и Iпн2, распростра-

Рис. 1. Пути распространения радиопомех

WWW.ELCP.RU

няющихся одновременно по обоим проводам и затем по земле. Такие пути трудно поддаются учету, к тому же на антенны радиоприемников воздействуют электромагнитные помехи, образующиеся между помехонесущими проводами и землей, т.е. за счет распространения несимметричных токов радиопомех. По этим причинам нормирование и подавление радиопомех осуществляется по несимметричному пути. При разработке фильтров было установлено, что несимметричное высокочастотное входное/выходное сопротивление МП имеет высокое сопротивление индуктивного характера, и фильтры должны начинаться с емкости. В то же время в модуль фильтрации целесообразно установить большое число емкостных элементов, так как изготовление малогабаритных дросселей с удовлетворительными частотными характеристиками возможно только на специализированных предприятиях. С целью трансформации внутреннего высокочастотного сопротивления на входе и выходе МП устанавливаются конденсаторы (см. рис. 2). Конденсаторы С1, С3, С4, С6 использованы для коррекции сопротивления несимметричной помехи, а С2, С5 — симметричной. Одновременно с трансформацией внутреннего высокочастотного сопротивления МП внешние конденсаторы С1–С6 позволяют незначительно (до 5 дБ) снизить радиопомехи. Дальнейшее их снижение достигается за счет модулей фильтрации. Выпускаемые АЭИЭП унифицированные ряды фильтров для двухпроводных сетей с изолированными шинами питания типа МРМ и для однопроводных сетей (с общей шиной) типа МРО представлены модулями на токи 2,5...20 (40) А в двух номиналах входного напряжения — 27 и 60 В. Модули выпускаются в двух исполнениях — в типовом корпусе и в корпусе с фланцами. Основные характеристики модулей приводятся в таблице 1. Модули МРМ (МРО) имеют малые габариты и массу (см. таблицу 2). Эти показатели в десятки раз лучше, чем у МФЗ других отечественных производителей. Во время ГИ модули МРМ и МРО проверялись в испытательной лаборатории технических средств по пара-

Рис. 2. Рекомендованная схема трансформации внутреннего высокочастотного сопротивления модуля питания

Рис. 3. Частотные характеристики коэффициента подавления сетевых модулей фильтрации и защиты тока

Рис. 4. Частотные характеристики коэффициента подавления сетевых модулей фильтрации и защиты тока Таблица 1. Основные характеристики модулей Диапазон входного напряжения/переход­ ное отклонение (1 с): - 27 В - 60 В Коэффициент ослабления радиопомех, дБ, для МРМ (МРО) в диапазоне частот, МГц: - 0,15…0,3 - 0,3…1,0 - 1,0…10 - 10…30 Падение напряжения на модуле, % Uвх ном. Температура (рабочая и хранения), °C Повышенная влажность при 35°C, % Прочность изоляции для МРМ: - напряжение (ампл. значение), В: ±вх., ±вх./±вых., ±вых. ±вх./корп., ±вых./корп.

- сопротивление, МОм (при =500 В) Наработка на отказ, ч: - при 25°C - при 85°C Способы охлаждения Материал корпуса

0...40 0...84 ≥ 30 (30) ≥ 40 (40) ≥ 60 (40) ≥ 55 (30) ≤2 среды: –60…70, корпуса: –60…85 98 ~500 ~500 20 6,4 млн 100 тыс. естественная конвекция/радиатор металл

Таблица 2. Некоторые параметры модулей МРМ (МРО) Наи­ме­ нование моду­ля

Про­ ход­ной ток, А

МРМ1 (МРО1) МРМ2 (МРО2) МРМ3 (МРО3) МРМ4 (МРО4) МРО5

2,5 5 10 20 40

Габаритные размеры, мм Масса не более, г типовой усиленный кор­ типовой усиленный корпус пус с фланцами корпус корпус 30×20×10 40×20×10 25 30 40×30× 10 50×30× 10 30 35 47,5×33×10 57,5×33×10 35 40 57,5×40×10 67,5×40×10 45 55 72,5×52,5×12,7 84,5×52,5×12,7 80 90

метрам электромагнитной совместимости (ИЛ ТС ЭМС). Испытания проведены методом отношения напряжения, изложенным в ГОСТ 13661. Результаты измерений вносимого затухания в диапазоне 0,1…30 МГц приведены на рисунках 3, 4. Сравнение результатов измерений и данных таблицы 1 (таблица заимствована из ТУ), показывает, что разработанные МФЗ имеют производственные запасы по этому основному показателю. С 2006 г. корпуса модулей изготавливаются с покрытием, обеспечивающим пайку низкотемпературными припоями, что позволяет разработчикам электронной аппаратуры соединять корпус с конденсаторами фильтров радиопомех, увеличивая их эффективность на частотах 1 МГц и выше более чем на 10 дБ. Также на модули устанавливаются опаиваемые донышки, которые обеспечивают механическую защиту элементов и являются экраном от излучаемых радиопомех. С целью увеличения прочности изменена технология изготовления модулей: давление и фрезерование корпусов заменено на литье. В модулях, выпускаемых по БКЮС.468240.003 ТУ одновременно с фильтром помех, размещены варисторы для защиты аппаратуры от выбросов напряжения в питающих цепях. Для каждого номинала входного напряжения модуля был выбран варистор класса С фирмы EPCOS, обеспечивающий наименьшее пропускаемое напряжение на выходных клеммах при воздействии импульса. В модули с проходными токами 2,5; 5; 10; 20; 40 А установлены варисторы с максимальными импульсными токами, соответственно 250; 500; 1000; 2000; 4000 А для импульса с амплитудой 1000 В и длительностью 50 мкс (фронт 1 мкс). Максимальное значение напряжения на выходе при воз-

электронные компоненты №8 2009

45

Рис. 5. Схема включения модулей питания с модулем фильтрации и защиты МРМ на входе

Рис. 6. Схема включения модулей питания с модулем фильтрации и защиты МРО на входе

46 Рис. 7. Схема включения модуля питания с модулем фильтрации и защиты МРМ на выходе

действии на входе импульса с этими параметрами для модулей с номинальным входным напряжением 27, 60 В не превышает 80 и 110 В, соответственно. Рекомендации по применению. Эффективность подавления помех модулем фильтрации при работе совместно с МП зависит от емкости корректирующих конденсаторов, тщательности заземления и разводки печатной платы. Согласно ГОСТ 13661-92, коэффициент подавления измеряется при сопротивлении 50 Ом на входе и выходе МФЗ. Однако на практике входное высокочастотное сопротивление МП меняется в широких пределах, и реальный коэффициент системы модуль фильтрации — МП может значительно отличаться от измеренного, причем в обе стороны. Чтобы исключить это нежелательное явление обязательна установка (см. рис. 2) внешних керамических конденсаторов типа К10-47, К10-67 (для С2, С5 — танталовых К52, К53), емкость которых выбирается из таблицы 3. МФЗ имеют выводы «Корпус» для заземления корпуса. Заземление корпусов МФЗ обязательно, оно может выполняться также через резьбовые втулки или фланцы крепления. Предпочтительна пайка корпуса по периметру непосредственно к заземляющему проводнику или в четырех точках по углам корпуса. Заземление корпуса модуля по периметру или в четырех точках позволяет увеличить коэффициент ослабления помех на частотах свыше 6 МГц более чем на 10 дБ. Типовые схемы включения. При установке на входе МП, к одному МФЗ можно подключить несколько МП, если их суммарный входной ток не превышает номинальный проходной ток МФЗ. На рисунках 5, 6 показаны схемы включения МФЗ серий МРМ, МРО совместно с N-м количеством МП. Модули МРО имеют возможность параллельного включения для увеличения тока нагрузки. Параллельное соединение МРМ недопустимо из-за насыщения двухобмоточных дросселей. Схемы включения МФЗ на выходе МП представлены на рисунках 7, 8. Итак, в статье были рассмотрены параметры и даны рекомендации по применению МФЗ для цепей постоянного тока. Кроме МФЗ серий МРМ и МРО, предприятие выпускает МФЗ для цепей переменного тока в широком диапазоне проходных токов и входных напряжений [2, 3]. Авторы выражают благодарность начальнику ИЛ ТС ЭМС А.Г. Мартиросову за оказанную помощь при измерениях и за рекомендации при оптимизации параметров фильтров. Литература 1. Твердов И.В. и др. Новые модули фильтрации радиопомех и защиты от перенапряжения//Chip News. 2004. № 3.

2. Твердов И.В., Мартиросов А.Г., Затулов С.Л. Модернизация сетевых фильтров радиопомех на предприятии «Александер Электрик источники электропитания»//Электронные компоненты № 8. 2005.

3. Твердов И., Мартиросов А., Затулов С. Модули фильтрации радиопомех и защиты от перенапряжения для питающих цепей постоянного и переменного тока//Силовая электроника №4. 2007 г. Таблица 3. Выбор емкости внешних конденсаторов

Рис. 8. Схема включения модуля питания с модулем фильтрации и защиты МРО на выходе

WWW.ELCP.RU

Проходной ток фильтра, А

С1, С3, мкФ

С4, С6, мкФ

С2, мкФ

С5, мкФ

2,5

0,047

0,047

0,47

0,47

5

0,1

0,1

1,5

1,5

10

0,33

0,33

3,3

3,3

20

0,47

0,47

5,0

5,0

Обзор понижающих DC/DC-преобразователей компании STMicroelectronics Александр Райхман, менеджер, «Компэл» Компания STMicroelectronics (ST), являясь одним из лидеров мирового рынка аналоговой продукции, выпускает широкий спектр компонентов для управления и преобразования энергии, позволяющий построить практически любой источник питания для различных применений. В перечень продукции ST, предназначенной для управления электропитанием входят: – компоненты для DC/DC-преобразователей; – компоненты для АС/DC-преобразователей; – компоненты для устройств батарейного питания; – линейные регуляторы напряжения; – импульсные регуляторы напряжения; – источники опорного напряжения; – супервизоры питания и микросхемы сброса. В настоящей статье речь пойдет о номенклатуре микросхем, используемых для построения понижающих DC/ DC-пре­об­разователей. Компания выпускает несколько серий универсальных микросхем, предназначенных для построения источников питания для индустриальных применений, телекоммуни­ каций, для бытовой электроники и офисной техники. В целом, среди этих микросхем можно выделить три основных семейства L497x, L597x и L598x, в зависимости от диапазонов входного напряжения. Все микросхемы включаются по типовой схеме DC/ DC-преобразователей с входными и выходными фильтрами, а также обратной связью. Типовая схема показана на рисунке 1. Семейство L497x (см. табл. 1) наиболее целесообразно использовать, когда входное напряжение превышает 36 В и требуется, чтобы выходной ток существенно превышал 1 А. К достоинствам этого семейства можно отнести высокую нагрузочную способность микросхем вплоть до величины выходного тока в 10 А, что обеспечивается соответствующими размерами используемых корпусов, которые способны рассеять значительную мощность. При этом бо­лее современные микросхемы имеют расширенный диапазон входного напряжения и пониженное энергопотреб­

ление, что позволяет использовать менее габаритные корпуса. Семейство L597x (см. табл. 2) используется, если входное напряжение более 18 В, а выходной ток не должен превышать 2 А. Характерной особенностью этого семейства является низкое сопротивление открытого канала полевого транзистора, составляющее всего 250 мОм, что позволяет вы­пускать микросхемы в небольших корпусах для поверхностного монтажа. Версия с буквой А в суффиксе наименования отличается повышенной до 500 кГц частотой переключения, в отличие от обычных, имеющих частоту 250 кГц. Таблица 1. Параметры семейства L497x Наиме­ нование L4970A L4971 * L4972 L4973x3.3 * L4973x5.1 * L4974A L4975A L4976 * L4977A L4978 *

Входное напряжение, В 15…50 8…55 15…50 8…55 8…55 15…50 15…50 8…55 15…50 8…55

Выходное Выходной ток, А напряжение, В 5,1…40 10 3,3…50 1,5 5,1…40 2 3,3; 0,5…50 3,5 5,1; 5,1…50 3,5 5,1…40 3,5 5,1…40 5 0,5…50 1 5,1…40 7 3,3…50 2

Тип корпуса Multiwatt15V DIP8, SO16W DIP20, SO20 DIP18, SO20 DIP18, SO20 DIP20 Multiwatt15V DIP8, SO16W Multiwatt15V DIP8, SO16W

* Новинки. Таблица 2. Параметры семейства L597x Наиме­но­вание L5970AD L5970D L5972D L5973AD L5973D

Входное напряжение, В

Выходное напряжение, В

Выходной Тип корпуса ток, А 1,5

4,4…36

1,235…35

SO8

2 2,5

HSOP8

Рис. 1. Типовая схема DC/DC-преобразователей с входными и выходными фильтрами

электронные компоненты №8 2009

47

Таблица 3. Параметры семейства L598x Наиме­но­ вание L5980 L5981 L5983 L5985 L5986/L5986A L5987/L5987A L5988D Рис. 2. Схема включения

Дальнейшее технологическое улучшение семейства L598x позволило снизить сопротивление уже до 140 мОм и выпускать DC/DC-преобразователи в еще меньших корпусах. Это семейство (см. табл. 3) используется в схемах, где входное напряжение находится в диапазоне до 18 В. Кроме DC/DC-преобразователей общего применения, ST выпускает и микросхемы, предназначенные для автомобильных применений семейства А597х, которые имеют расширенный диапазон рабочих температур –40...125°С. Все микросхемы имеют защиту от перенапряжений, перегрузки по току, температурную защиту и поддерживаются оценочными платами с названием по соответствующему типу компонента: EVAL4971, EVAL4973 и т.д. За последнее время компания разработала и уже выпус­кает новую линейку импульсных регуляторов напряжения, по своим параметрам идеально подходящих для применения в портативных приборах. Линейка ST1Sxxx работает на повышенных частотах до 1,5 МГц, что позволяет использовать менее габаритную обвязку; некоторые версии имеют встроенный синхронный выпрямитель, избавляющий от необходимости использовать внешний диод, эффективность работы свыше

48

WWW.ELCP.RU

Входное напряжение, В

Выходное напряжение, В

2,9…18

0,6…18

Выходной Тип корпуса ток, А 0,7 1 VFQFPN8 1,5 2 2,5 VFQFPN8, HSOP8 3 4 HTSSOP16

Таблица 4. Основные параметры линейки регуляторов Наиме­но­ вание ST1S03 ST1S06 ST1S09 ST1S10 ST1S12

Входное напряжение, В 3…16 2,5…7 4,5…5,5 2,5…16 2,5…7

Выходное напряжение, В 0,8…12 0,8…5,5 0,8…5 0,8…15 1,2; 1,8; 2,5…6

Выходной ток, А 1,5 2 3 0,7

Тип корпуса DFN6D DFN8, PowerSO-8 TSOT23-5L

90%, а также миниатюрные размеры корпусов. Более функционально насыщенная внутренняя схема позволяет использовать всего несколько внешних компонентов, как показано на рисунке 2. Основные параметры линейки регуляторов представлены в таблице 4. Надеемся, что приведенный обзор этих популярных пре­об­разователей напряжения поможет разработчикам в выборе необходимого компонента для создания высоконадежного и недорого источника электропитания. Подробнее см. сайт компании ST — www.st.com/stonline/ products/families/power_management/power_management. htm

TDK-Lambda: особенности работы и применения источников питания HWS/HD Евгений Рабинович, инженер по применению, TDK-Lambda В статье рассказывается об особенностях работы и преимуществах источников питания подсемейства HWS/HD, которые производит корпорация TDK-Lambda.

– коэффициент мощности до 90% (зависит от модели); – удобные размеры: высота 82 мм, корпус 2U; – удаленный On/Off-контроль (для моделей 50 Вт и выше); – параллельное включение до 5 блоков с помощью только одного провода (для моделей свыше 300 Вт); – защита от перенапряжения; – защита от перегрузки по току; – наличие выводов для удаленной обратной связи (для моделей 80 Вт и выше); – энергосбережение в режиме stand-by: при удаленном отключении вентиляторы и схема PFC (схема компенсации коэффициента мощности) не работают; – соответствие MIL-STD-810F. Для удобства использования и расширения сфер применения (кроме установки на шасси) приборы этой серии без каких-либо трудностей могут быть установлены на DIN-рейку. Для этого можно заказать специальные держатели (DIN-rail bracket). Предлагаются держатели трех типоразмеров. Для крепления приборов серий HWS15 и HWS30 применяется держатель типоразмера DIN-01; HWS50 — DIN-02; HWS80, HWS100 и HWS150 — DIN-03. Прибор жестко закрепляется в держателе, а затем устанавливается на DIN-рейку (см. рис. 2).

Рис. 1. Источники серии HWS Обзор серии HWS

Выпуск источников питания серии HWS японское подразделение корпорации TDK-Lambda начало в 2003 г. в ответ на потребность рынка в компактных промышленных источниках питания разных номиналов, имеющих высокий запас надежности. Серия HWS сегодня — это линейка источников питания с широким диапазоном мощностей (15…1800 Вт) стандартного промышленного ряда напряжений, которая продолжает расширяться. Так, в 2005 г. появились модели HWS80, HWS300, HWS600 и HWS1500, в середине 2007 г. появилась линейка с трехфазным входом HWS1800T, а в конце 2007 г. — источник питания мощностью 1000 Вт. Существующие модели представлены в таблице 1, а их внешний вид — на рисунке 1. Основные технические параметры серии: – исполнение RoHS; – малый размер: на 60% компактнее предшествующих моделей;

Особенности работы HWS/HD

Поиск и выбор источника питания для жестких условий эксплуатации — актуальная проблема для любого российского разработчика, когда-либо занимавшегося проектированием аппаратуры для использования в неотапливаемых помещениях и на улице. В техническом описании подсемейства HWS/HD заявлен гарантированный старт при температуре –40°С, а рабочий диапазон температур составляет –10...85°С. Чтобы получить точное представление об особенностях запуска моделей при низких температурах, необходимо внимательно ознакомиться

Таблица 1. Линейный ряд серии HWS (с указанием выходного тока и мощности каждой модели)

Модель HWS15 HWS30 HWS50 HWS80 HWS100 HWS150 HWS300 HWS600 HWS1000 HWS1500 HWS1800T

Вых. напряжение

3В

5В

12 В

15 В

24 В

48 В

3 A/10 Вт 6 А/20 Вт 10 А/33 Вт 16 А/52,8 Вт 20 А/66 Вт 30 А/99 Вт 60 А/198 Вт 120 А/396 Вт 200 А/660 Вт – 300 А/990 Вт

3 А/15 Вт 6 А/30 Вт 10 А/50 Вт 16 А/ 80 Вт 20 А/100 Вт 30 А/150 Вт 60 А/300 Вт 120 А/600 Вт 200 А/1000 Вт – 300 А/1500 Вт

1,3 А/15,6 Вт 2,5 А/30 Вт 4,3 А/51,6 Вт 6,7 А/80,4 Вт 8,5 А/102 Вт 13 А/156 Вт 27 А/324 Вт 53 А/636 Вт 88 А/1056 Вт 125 А/1500 Вт 125 А/1500 Вт

1 А/15 Вт 2 А/30 Вт 3,5 А/52,5 Вт 5,4 А/81 Вт 7 А/105 Вт 10 А/150 Вт 22 А/330 Вт 43 А/645 Вт 70 А/1050 Вт 100 А/1500 Вт 100 А/1500 Вт

0,65 А/15,6 Вт 1,3 А/31,2 Вт 2,2 А/52,8 Вт 3,4 А/81,6 Вт 4,5 А/108 Вт 6,5 А/156 Вт 14 А/336 Вт 27 А/648 Вт 44 А/1056 Вт 65 А/1560 Вт 75 А/1800 Вт

0,33 А/15,8 Вт 0,65 А/31,2 Вт 1,1 А/52,8 Вт 1,7 А/81,6 Вт 2,1 А/100,8 Вт 3,3 А/158,4 Вт 7 А/336 Вт 13 А/624 Вт 22 А/1056 Вт 32 А/1536 Вт 37,5 А/1800 Вт

электронные компоненты №8 2009

49

Рис. 2. Схема установки источника электропитания серии HWS на DIN-рейку при помощи DIN-rail bracket

Рис. 3. Кривая запуска для моделей линейки HWS100HD

с имеющейся в техническом описании диаграммой пуска, представленной для каждой линейки. В качестве примера на рисунке 3 представлена кривая запуска для моделей линейки HWS100HD. При минимальном напряжении входа и температуре –40°С источник стабильно запускается при нагрузке 30%. Если напряжение входа 170 В и выше, то старт можно произвести при выходном токе 50% от максимального. При этом некоторые рабочие параметры могут отличаться от заявленных. Например, выходные пульсации. При низкой температуре ESR (эквивалентная резистивная составляющая) электролитных конденсаторов, используемых в выходном фильтре, растет, вследствие чего растет и значение двойной амплитуды пульсаций на выходе. Время запуска также может увеличиться, особенно если преобразователь пускается под нагрузкой. Это связано с тем, что ESR входных конденсаторов также увеличивается и напряжение на них может падать, не успевая нарасти

50

Рис. 4. Структурная схема источника питания HWS300/HD

WWW.ELCP.RU

достаточно быстро, особенно в моделях, где для ограничения пус­кового тока применяются термисторы — элементы с обратным температурным коэффициентом. При низких температурах термистор ограничивает ток сверх меры. В более мощных моделях HWS (от 300 Вт и выше) для ограничения пускового тока используется схема, основанная на тиристоре (SCR) (см. рис. 4). Во время начального броска тока в этой схеме накапливается уровень напряжения (около 1…2 В), достаточный для подачи сигнала-триггера на управляющий вывод тиристора. И на это время, длящееся около 10 мс, тиристор запирается, увеличивая свое сопротивление в десятки раз. После этого он ведет себя как последовательно включенный в цепь дополнительный диод. К сожалению, использование такой же схемы в моделях ниже 300 Вт нецелесообразно с точки зрения КПД. После запуска начинается прогрев элементов, который может длиться от нескольких десятков секунд до 3 мин. Это зависит от монтажа и расположения источника в пространстве (вертикального или горизонтального), наличия другого тепловыделяющего оборудования, от вида охлаждения (конвекционное или принудительное). После этого периода источник выходит «на полную спецификацию», когда все его параметры приходят в норму, и он может отдавать нагрузке 60—70% мощности в зависимости от уровня входного напряжения. При температуре от –10°С и выше можно подключать максимальную нагрузку. При температуре, превышающей 50°С, начинается определенное снижение мощности, которое зависит от конкретной модели. На рисунке 5 изображены скриншоты показаний осциллографа во время запуска модели HWS150HD при температуре –40°С и минимальном входном напряжении: а) холостой запуск (без нагрузки) — источник запускается стабильно; б) при нагрузке 100% — источник запускается

нестабильно. Как видно из этого примера, на практике источник стартует и при полной нагрузке, но в ряде случаев пуск срывается, поэтому в спецификации заявлены более жесткие условия запуска. ИП серии HWS/HD отличаются также тем, что их печатные платы имеют защитное покрытие Conformal Coating. Этот материал нанесен тонким слоем (в несколько десятков микрон) на печатную плату и другие компоненты, находящиеся на ней. Он защищает плату от влажности и загрязняющих примесей и таким образом предотвращает короткие замыкания, коррозию проводников и «точек соединения». Наносится покрытие обычно погружением в ванну, распылением или методом потока. На заводax TDK-Lambda практикуется в основном второй метод. В качестве материала используется лак DС1-2577 компании Dow Corning (США). Это полупрозрачный нерастворяющийся материал, основу которого составляет кремниевая смола. Более подробно его характеристики представлены в таблице 2. Время просушки определяет, насколько быстро будет идти производственный процесс. Материал DС1-2577 — не самый быстросохнущий, поэтому для ускорения процесса используется особый температурный режим. Содержание нелетучих соединений — также важный параметр, т.к. он определяет расход материала. Если этот параметр находится на уровне 100%, то защитный слой не оседает и после просушки толщина покрытия остается такой же, как и при нанесении. Такие материалы действительно су­ществуют. Тот же производитель выпускает лак марки DС3-1953, который отличается 100%-ой нелетучестью, но при этом в 2,5 раза дороже и уступает по своим ди­электрическим свойствам DС1-2577. В качестве защитного материала могут использоваться также HumiSeal 1A27NS и HumiSeal 1B73 компании Chase Corporation. Некоторые химические составляющие, такие как толуол, при контакте с резиновой вставкой электролитических конденсаторов могут повлиять на их работоспособность. Поэтому важно выбрать правильную последовательность операций при производстве либо применять специальные прокладки-спейсеры, которые помещаются под основания конденсаторов. Крупные внешние элементы HWS также монтируются после нанесения защитного слоя. Дело в том, что температурное сопротивление слоя намного выше, чем у воздуха, поэтому процесс охлаждения таких элементов, если их покрыть, будет затруднен. Применение защитного покрытия печатных плат еще более расширяет сферу и условия применения источников питания HWS: они могут успешно эксплуатироваться на промышленных объектах с повышенным содержанием пыли в воздухе, а также в районах повышенной влажности и в условиях морских ветров, содержащих и влагу, и соль. Источники TDK-Lambda с покрытием Conformal Coating уже используются в светодиодных вывесках на морском берегу.

а)

б)

Рис. 5. Запуск модели HWS150HD при –40°С : а) холостой запуск (без нагрузки); б) запуск при нагрузке 100%

Закончить статью хотелось бы освещением очень важного события как для самой компании TDK-Lambda, так и для всего рынка источников питания. Речь идет об объявлении пожизненной гарантии на источники питания серии HWS в 2008 г. Что это значит? Компания действительно за­яв­ляет, что на протяжении всего срока эксплуатации бло­ка питания его ремонт или замена будут осуществлять­ ся за счет производителя, если поломка произошла не в результате нарушений правил эксплуатации. Это обязательство не распространяется лишь на источники питания с вентиляторным охлаждением, т.е. на блоки мощностью 300…1800 Вт. Гарантия на вентиляторы ограничена пятилетним сроком, т.е. после пяти лет эксплуатации бесплат­ ная замена этого элемента производиться не будет, в то время как на все остальные компоненты сохраняется пожизненная гарантия. Таблица 2. Характеристики защитного покрытия DС1-2577 Производитель Основа Время просушки (Final Cure) – ускоренный метод Внешний вид Соответствие стандартам Изоляционные свойства, кВ/мм Нелетучие составляющие (non-VOC), % Температура применения, °C Содержание толуола

Dow Corning (США) Эластично-пластиковая кремниевая смола 10 мин при 25°C + 10 мин при 70°C Полупрозрачен RoHS (Европейская директива), UL 746C 18 72 –65…200 Присутствует

События рынка

| Европейский исследовательский проект для полупроводниковой промышленности | Европейский исследовательский проект Improve, учрежденный в начале 2007 г., в настоящее время объединяет 35 партнеров, которые намерены повысить конкурентоспособность полупроводниковой промышленности в Европе. В их число входят производители оборудования для полупроводниковой промышленности, предприятия, занимающиеся программным обеспечением, производители полупроводников с производствами, размещенными в Европе, исследовательские институты и вузы из Германии, Франции, Ирландии, Италии, Австрии и Португалии. За координацию деятельности немецких партнеров по проекту ответственной является компания Infineon. Общий бюджет Improve составляет около 37,7 млн евро и наполовину финансируется партнерами из экономики, науки и исследований. Вторая половина покрывается организацией ENIAC (European Nanoelectronics Initiative Advisory Council) Европейского Союза как часть программы SP4 Nanoelectronics for Energy & Environment, а также из средств национальных ведомств. Германское Министерство образования и исследований (BMBF) поддерживает проект 3,5 млн евро в рамках своей программы «Информационно-коммуникационные технологии 2020» (IKT 2020). www.russianelectronics.ru

электронные компоненты №8 2009

51

Проектирование аналоговых микросхем на МОП-транзисторах. Часть 1. Малосигнальная модель МОП-транзистора с источниками шумов Олег Дворников, д.т.н., ОАО «МНИПИ», г. Минск Виталий Гришков, м.т.н., НТЦ «Белмикросистемы», г. Минск Тимофей Натаров, м.т.н., НТЦ «Белмикросистемы», г. Минск В статье рассматривается упрощенная модель для описания характеристик МОП-транзисторов в режимах слабой и сильной инверсии, учитывающая особенности интегрального исполнения. Введение

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

52

Современные сложно-функ­цио­наль­ ные СБИС типа «система на кристалле» обычно осуществляют аналогоцифровую обработку входных сигналов. Реализация цифровых устройств наиболее эффективна на МОП-элементах, поэтому системы на кристалле и входящие в них аналоговые компоненты предпочитают изготавливать по МОПтехнологиям [1]. Переход к субмикронным размерам интегральных элементов позволяет значительно увеличить быстродействие и количество выполняемых цифровых функций на одном полупроводниковом кристалле, но в то же время усложняет проектирование аналоговых компонентов. Так, МОПтранзисторы с малой длиной затвора обладают рядом особенностей, ограничивающих их применение в аналоговых блоках, а именно: значительный разброс порогового напряжения и крутизны, приводящий к появлению большого напряжения смещения операционных и дифференциальных усилителей; высокий уровень низкочастотного шума типа 1/f; малая величина выходного малосигнального сопротивления и усиления каскадов с активной нагрузкой; невысокое пробивное напряжение p-nпереходов и промежутка сток-исток, вызывающее снижение напряжения питания и уменьшение динамического диапазона [2]. Наличие указанных недостатков субмикронных МОП-транзисторов объясняет существующий подход к проектированию, заключающийся в том, что прецизионные аналоговые компоненты предпочитают разрабатывать на биполярных транзисторах, предельно малые значения входных токов обеспечиваются с помощью малошумящих полевых транзисторов с p-n-переходом, а для создания СнК с высококачественной

www.elcp.ru

аналоговой частью применяют совмещенные технологические маршруты, позволяющие формировать на одной полупроводниковой подложке МОП-, биполярные и полевые транзисторы с p-n-переходом [2]. К сожалению, высокая стоимость изготовления микросхем по совмещенным технологиям ограничивает область их применения. Проведенный нами анализ аналогоцифровых СБИС ядерной электроники позволяет утверждать, что в ряде случаев для достижения экономической эффективности разработки целесообразно использование промышленных субмикронных МОП-технологий, а для получения компромиссного сочетания параметров аналоговых компонентов следует осуществлять правильный выбор типа проводимости канала, топологических размеров и режимов работы МОП-транзисторов [3—6]. Известно, что схемотехническое и топологическое проектирование СБИС базируется на использовании информации, содержащейся в описании маршрута проектирования (Process Design Kit — PDK), создаваемом на предприятиях-изготовителях интегральных микросхем. В PDK включены параметры моделей транзисторов, сравнительные результаты моделирования и измерений вольтамперных характеристик (ВАХ) транзисторов, технические требования и правила проектирования топологии [7, 8]. Однако в PDK часто нет конкретных рекомендаций по выбору режима работы и размеров транзисторов, что увеличивает продолжительность этапа схемотехнического проектирования из-за необходимости проведения многовариантной параметрической оптимизации для обеспечения требуемых характеристик аналоговых компонентов.

С нашей точки зрения, перед выполнением схемотехнического моделирования необходимо оценить возможность изменения основных параметров аналоговых компонентов с помощью упрощенных математических соотношений или экспериментальных результатов для типовых технологических маршрутов. При этом необходимо учитывать, что ВАХ МОП-транзисторов различны в линейной области и области насыщения, в режиме сильной и слабой инверсии, для длинноканальных и короткоканальных транзисторов, а субмикронные МОП-транзисторы чаще всего функционируют либо в режиме слабой инверсии, либо в переходной области между слабой и сильной инверсией. Целью данной работы является адаптация малосигнальной модели МОП-транзистора для упрощенных аналитических расчетов и разработка, в т.ч. на ее основе, рекомендаций по проектированию аналоговых МОПкомпонентов. Малосигнальная модель МОП-транзистора

Основные параметры аналоговых устройств (коэффициент усиления, входное и выходное сопротивление, полоса пропускания, площадь усиления) определяются на малом сигнале, поэтому для их расчета необходимо применять малосигнальные эквивалентные электрические схемы транзисторов, характеризующие режимы работы, в которых переменный сигнал намного меньше постоянного, определяющего рабочую точку. Наиболее распространенная малосигнальная эквивалентная электрическая схема n-канального транзистора (n-МОП) с источниками шумов показана на рисунке 1 [9].

, ,

Рис. 1. Малосигнальная эквивалентная электрическая схема n-МОП-транзистора с источниками шумов

Рис. 2. Порядок преобразования источников шумов МОП-транзистора

53

(1) (2)

VDSAT = VGS – V TH,

(3)

gMB ≈ ηgM,

(4)

,

(5)

gDS = IDSATλ, , gMSH ≈ WvSATCOX,

Рис. 3. Малосигнальная эквивалентная схема МОП-транзистора для аналитических расчетов

(9)

gML = βVDS,

(11)

(6)

IDSATSH = WvSATCOX(VGS – V TH – VDSATSH). (10)

gMBL = ηgML,

(12)

(7)

При VDS < VGS – V TH, VGS > V TH (линейная область ВАХ в режиме сильной инверсии):

(8)

gDSSH = IDSATSHλSH,

,

(13)

gDSL ≈ gM при |VDS| << |VDSAT|.

(14)

электронные компоненты №8 2009

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

При расчетах вручную целесообразно ток стока как n-МОП-, так и p-МОПтранзисторов считать положительным и для описания характеристик p-МОП применять соотношения n-МОПтранзистора с учетом изменения полярности напряжения путем перестановки нижних индексов, описывающих выводы. Например, напряжения VDS, VGS в соотношениях для n-МОП-транзистора необходимо изменить на VSD, VSG для p-МОП. Кроме того, при выполнении аналитических расчетов допустимо пренебречь малосигнальными проводимостями p-n-переходов подложка-сток gBD, подложка-исток gBS, источниками, вносящими незначительный уровень шумов (INRD, INRS, INRG, которые описывают шум сопротивлений стока RD, истока RS, затвора RG), и перерасчитать влияние остальных источников шумов к входу схемы, обычно к затвору. При перерасчете источников шумов часто применяют следующий подход: – уровень тепловых шумов сопротивления подложки характеризуют ис­точ­ником напряжения VNRB ( = = ), соединенным последовательно с сопротивлением подложки RB; – источник напряжения шумов V NRB перерасчитывают в источник тока I NRBD, подключенный параллельно каналу МОП-транзистора, с помощью крутизны при управлении подложкой gMВ; – источники тока шумов INRBD, IND перерасчитывают в источники напряжения шумов VNRBG, VNDG, последовательно соединенные с затвором, с помощью крутизны gM. Порядок преобразования источников шумов иллюстрирует рисунок 2, а полученная упрощенная эквивалентная схема МОП-транзистора показана на рисунке 3. В соответствии с моделью, для «внутреннего» транзистора не учитывается падение напряжения на полупроводниковых областях, и справедливы следующие соотношения [9, 10]. При VDS ≥ VGS – V TH, VGS > V TH (область насыщения ВАХ в режиме сильной инверсии):

Рис. 4. Графическая иллюстрация соотношения (25)

При VDS ≥ 4φT, VGS < V TH – 4φT (область насыщения ВАХ в режиме слабой инверсии, так называемая подпороговая область): ,

(15)

gMBW = ηgMW,

(16)

gDSW ≈ IDWλW,

(17) ,

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

54

(18)

где gM, gMW — малосигнальная передаточная проводимость (крутизна) при управлении затвором в режиме сильной и слабой инверсии; gMВ, gMВW — крутизна при управлении подложкой в режиме сильной и слабой инверсии; gDS, gDSL — малосигнальная выходная проводимость в насыщении и линейной области в режиме сильной инверсии; gDSW — малосигнальная выходная проводимость в насыщении в режиме слабой инверсии; ID — ток стока в рабочем режиме; IDSAT, IDSATSH — ток стока при V DS = V DSAT и V DS = V DSATSH; IDW — ток стока в подпороговой облас­ ти ВАХ; ID0W — ток стока при VGS = V TH; VGS, V DS, V BS — напряжение затвор-

исток, сток-исток, подложка-исток; V DSAT — напряжение сток-исток, соответствующее переходу из линейной области ВАХ к области насыщения, которое для короткоканальных транзисторов (V DSATSH) обычно меньше, чем для длинноканальных, т.е. |V DSATSH| < < |VGS — V TH|; V TH — пороговое напряжение при V BS ≠ 0; β — удельная крутизна передаточной характеристики; KP = μCOX — удельная крутизна при управлении затвором; μ — подвижность основных носителей заряда в канале МОП-транзистора; COX — удельная емкость подзатворного окисла; W, LEFF — ширина и эффективная длина затвора, учитывающая боковой уход; CDEP — удельная емкость p-n-перехода канала МОП-транзистора-подложка; λ — коэффициент, характеризующий выходную проводимость в области насыщения ВАХ. Для длинноканальных транзисторов λ ~ 1/LEFF — коэффициент модуляции длины канала напряжением VDS; для короткоканальных транзисторов величина λSH определяется влиянием нескольких факторов, в т.ч. модуляцией подвижности носителей заряда; vSAT — скорость насыщения носителей заряда в канале; RCH — сопротивление канала МОП-транзистора в линейной области ВАХ в режиме сильной инверсии; NW — фактор, характеризующий отклонение ВАХ в подпороговой области от экспоненты; обычно величина NW составляет 1...2; φT = kT/q — температурный потенциал; k — постоянная Больцмана; T — абсолютная температура; q — заряд электрона. Здесь и далее нижними индексами SH отмечены параметры короткоканального (short channel) транзистора, индексом W — параметры в области слабой (weak) инверсии. Кроме того, индекс L указывает на принадлежность параметра к линейной области ВАХ, в которой МОП-транзистор функционирует как резистор, управляемый напряжением VGS – V TH. Величины емкостей эквивалентной схемы, в зависимости от режима работы, показаны в таблице 1.

Таблица 1. Величины емкостей эквивалентной схемы рисунка 1 [10] Параметр CGD CBD CGB CGS CBS

VGS ≤ VTH CGDO W CDEP AD W LEFF COX + CGBO L CGSO W CDEP AS

Режим работы для n-МОП VDS < VGS – VTH, VGS > VTH VDS ≥ VGS – VTH, VGS > VTH 0,5W L COX CGDO W CDEP AD CDEP AD CGBO L CGBO L 0,5W L COX 2W L COX/3 CDEP AS CDEP AS

где CGS, CGD, CGB — емкость затвор-исток, затвор-сток, затвор-подложка; CBD, CBS — емкость p-n-перехода подложка-сток, подложка-исток; CGDO — удельная емкость перекрытия затвор-сток (на единицу ширины канала) за счет боковой диффузии; CGSO — удельная емкость перекрытия затвор-исток (на единицу ширины канала) за счет боковой диффузии; CGBO — удельная емкость перекрытия затвор-подложка за счет выхода затвора за пределы канала; L — длина затвора; AS, AD — площадь полупроводниковой области истока, стока, соответственно.

www.elcp.ru

Суммарный уровень шумов МОПтранзистора характеризует источник напряжения VNM∑ , среднеквадратическое значение которого в полосе частот f1...f2 рассчитывается с помощью соотношений ,

(19) , (20) ,

(21)

,

(22) ,

(23)

в области насыщения ВАХ в режиме сильной инверсии при γNOISE = 2/3 ,

(24)

где SVNM∑ — приведенная к затвору спектральная плотность напряжения суммарных шумов; f — частота; SVN1/FG, SVNRBG, SVNCHG — приведенная к затвору спектральная плотность напряжения шумов, вызванных фликер-шумом, сопротивлением подложки RB, тепловыми шумами канала (белый шум); KFP,N — коэффициент фликер-шума транзистора с конкретным типом проводимости канала (p- или n-); EF — показатель степени фликер-шума; γNOISE — коэффициент, зависящий от режима работы МОПтранзистора, а именно γNOISE = 2/3 — для области насыщения; γNOISE = 1 — для линейной области; γNOISE = 1/2 — для области насыщения в режиме слабой инверсии [10]. В [5] приведено выражение для расчета коэффициента γNOISE в области насыщения ВАХ в зависимости от отношения тока стока в рабочем режиме ID к максимальной величине тока стока в подпороговой области (параметр ID0W) в виде ,

,

(25)

(26)

где u — переменная, характеризующая степень инверсии. При u = 1 МОП-транзистор работает в режиме средней, u << 1 — слабой, u >> 1 — сильной инверсии. Графиче­ ская иллюстрация соотношения (25) показана на рисунке 4. Для короткоканальных МОПтранзисторов коэффициент γ NOISE иногда заменяют на γ NOISE · Г, где Г — фактор избыточного белого шума. Вследствие затруднений с экспериментальной идентификацией параметров, характеризующих отдельные источники шумов, обычно с помощью

Полное описание модели МОП-тран­ зис­тора можно получить по за­просу на адрес Oleg_Dvornikov@tut.by Литература 1. Адамов Ю.Ф. Системы на кристалле в современной электронике. Мик­ро­сис­тем­ ная техника. 2004. № 5. С. 34–38.

2. Абрамов И.И. Проектирование аналоговых микросхем для прецизионных измерительных систем. Минск: Акад. упр. при Президенте Респ. Беларусь, 2006. 286 с.

3. French M.J. [et al.]. Design and results from the APV25, a deep sub-micron CMOS frontend chip for CMS tracker. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 2001. Vol. A466. P. 359–365.

4. Manghisoni M. [et al.]. Low noise design criteria for detector readout systems in deep submicron CMOS technology. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 2002. Vol. A478. P. 362–366.

5. Anelli G. [et al.]. Noise characteri­ zation of a 0.25 um CMOS technology for

LHC experiments. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 2001. Vol. A457.

P. 361–368.

6. O’Connor P. [et al.]. Prospects for charge sensitive amplifiers in scaled CMOS. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research.

2002. Vol. A480. P. 713–725.

7. TSMC 0.18um mixed signals/RF 1P6M salicide 1.8V/3.3V design rule.

8. TSMC 0.18um mixed signals 1P6M salicide 1.8V/3.3V SPICE models.

9. Pspice. Reference Guide. Mode of access// www.orcad.com.

10. Baker R.J. CMOS. Circuit design, layout and simulation. Piscataway: IEEE Pres, 2005.

1038 p.

Новости телеком и мультимедиа

| «Большая тройка» операторов развернет в Москве 3G-сети в конце года | Испытания, проведенные Министерст­ вом обороны РФ и операторами, показали, что мобильная связь третьего поколения может действовать не только в зданиях и метро, но и на улицах Москвы. Особенность сетей 3G заключается в высокой скорости передачи данных: в GSM-сетях предел составляет 171,2 Кбит/с, а в 3G — 2 Мбит/с. В конце первого полугодия, по оценкам MForum, 10,8% российских сотовых абонентов пользовались телефонами с поддержкой 3G. «Большая тройка» намерена сдать в эксплуатацию московские 3G-сети в конце 2009 г. Оператор «МТС» уже установил в Москве около 380 базовых станций 3G и развернул сети третьего поколения в нескольких московских зданиях и на станции метро «Университет». К концу года число охваченных 3G площадей увели­ чится. «ВымпелКом» подготовил пока только 170 базовых станций; 3G-сеть оператора действует лишь на территории его офиса и в ТЦ в Химках. Сеть «МегаФона» заработает в IV кв. www.russianelectronics.ru

электронные компоненты №8 2009

55 А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

фактора Г учитывают влияние на суммарный уровень шумов сопротивления подложки, затвора, истока, стока, эффекты горячих носителей заряда в коротком канале, влияние высокой плотности ловушек на поверхности и др. [5].

Новые универсальные LDO-стабилизаторы компании ON Semiconductor Ирина Ромадина, менеджер по продукции ON Semiconductor, «Компэл»

В статье рассматриваются универсальные LDO-стабилизаторы, выпускаемые компанией ON Semiconductor. Основное внимание уделяется новым изделиям этого класса, анонсированным компанией в 2009 г. Классификация

56

Если рассмотреть упрощенную структурную схему линейного стабилизатора напряжения, представленную на рисунке 1, можно сделать два очевидных вывода. Во-первых, основным параметром, определяющим область применения стабилизатора, является минимально возможное значение падения напряжения между входом и выходом схемы. Во-вторых, основным элементом, определяющим параметры схемы, является регулирующий элемент. Именно поэтому общепринятым классификационным признаком линейных стабилизаторов является исполнение регулирующего элемента. Большинство производителей обычно выделяет два класса: стандартные линейные стабилизаторы и линейные стабилизаторы с малым падением напряжения LDO (Low DropOut). Стандартный линейный стабилизатор в качестве регулирующего элемента использует составной NPN-транзистор (схема Дарлингтона), управляемый PNP-транзистором. Падение напряжения в этом случае составляет 1,1...2,5 В. Этот тип микросхем долгое время выпускается многими производителями, в т.ч. и ON Semiconductor. Некоторая «древность» этих изделий совсем не говорит о том, что они не востребованы — они пользуются заслуженным уважением у разработчиков, у них есть и останется своя ниша. Но поскольку новинками эти изделия считались достаточно давно, они не рассматриваются в данной статье. С линейкой этих микросхем, предлагаемых компанией ON Semiconductor, можно познакомиться в [1]. Стабилизаторы с малым падением напряжения используют в качестве регулирующего элемента биполярный PNP-транзистор или полевой транзистор (одиночный либо составной). Падение напряжения в этом случае составляет десятые доли вольта, что, безусловно, расширяет область применения LDO-стабилизаторов.

Рис. 1. Упрощенная структурная схема линейного стабилизатора напряжения

WWW.ELCP.RU

С точки зрения области применения, компания ON Semiconductor разделяет LDO-стабилизаторы на универсальные (Multi-market) и стабилизаторы для автомобильных приложений (Automotive). Стабилизаторы для автомобильных приложений (префикс NCV в обозначении) производитель выделяет в отдельную группу, поскольку область применения накладывает на изделия ряд специфических требований: – максимальное значение входного напряжения не ниже 12 В, что определяется напряжением сети питания автомобиля; – устойчивость к кратковременным броскам напряжения в сети; – широкий диапазон рабочих температур (–40…125°С); – защита от включения с обратной полярностью; – защита от перегрева кристалла; – ограничение максимального тока в нагрузке (защита от короткого замыкания (КЗ)). Линейка LDO-стабилизаторов для автомобильных приложений компании ON Semiconductor рассмотрена в [1] и в данной статье не обсуждается. Универсальные LDO-стабилизаторы ON Semiconductor

К универсальным LDO-стабилизаторам жесткие требования, характерные для Automotive, не применяются. Хотя наличие защиты от перегрева кристалла и защиты от КЗ — это скорее правило, чем исключение. Характерным для универсальных LDO-стабилизаторов являются: – низковольтные номиналы выходного напряжения: 0,8...3,3 В и традиционные 5,0 В; – максимальное входное напряжение, как правило, не выше 12 В. В линейных стабилизаторах большая разница между входным и выходным напряжением нежелательна —

Рис. 2. Номенклатура универсальных LDO-стабилизаторов компании ON Semiconductor

снижается КПД стабилизатора, рассеиваемое тепло на регулирующем элементе нагревает кристалл, возникает необходимость в радиаторе и т.д. Все это в результате сказывается на цене конечного изделия. Для изделий с батарейным питанием, наоборот, критичным является снижение падения напряжения на регуляторе и, как следствие, возможность работы от минимально возможного входного напряжения при разряде батареи. Для упрощения выбора LDO-стабилизатора на рисунке 2 представлена номенклатура этих микросхем, предлагаемых компанией ON Semiconductor. В качестве классификационного критерия выбран максимально допустимый ток в нагрузке. Особый интерес представляют новые изделия, появившиеся на рынке в 2009 г. Среди них следует выделить микросхемы CAP621x и NCP69x. Очевидно, что любое новое изделие выводится на рынок с целью либо восполнить пробел в существующей линейке, либо заменить существующее изделие новым с улучшенными параметрами, которые были бы востребованы в современных приложениях. Для этого целесообразно сравнивать технические характеристики новых микросхем с параметрами выпущенных ранее. Критерии сравнения

58

Какие параметры целесообразно учитывать при сравнении? Очевидно, что основной эксплуатационной характеристикой является величина падения напряжения на регулирующем элементе. Она влияет, во-первых, на возможную область применения изделия и, во-вторых, на мощность, рассеиваемую стабилизатором в процессе работы. Далее следует учитывать величину статического тока (Quiescent Current или Ground Current — ток покоя или ток на землю, соответственно). Это разница между входным током и током в нагрузке является током, потребляемым внутренними схемами стабилизатора: усилителем рассогласования, источником опорного напряжения и делителем напряжения. Качество работы стабилизатора определяется точностными характеристиками, а именно: – точностью установления выходного напряжения; – нестабильностью по напряжению; – нестабильностью по нагрузке;

WWW.ELCP.RU

– коэффициентом подавления пульсаций источника питания PSRR (Power Supply Ripple Rejection); – шумом выходного напряжения; – температурным коэффициентом выходного напряжения. Точностные параметры. Определения и нюансы

Точность установления выходного напряжения — это отклонение выходного напряжения от его номинального значения. Оно определяется, главным образом, разбросом параметров элементов, входящих в схему стабилизатора. По сути, это точность соответствия номиналу при неизменном, без пульсаций, входном напряжении, постоянной нагрузке, постоянной температуре кристалла. Например, точность 2% для CAP6217-250 означает, что выходное напряжение имеет постоянную величину и находится в диапазоне 2,5±0,05 В при постоянном входном напряжении 3,4...5,5 В, постоянном токе нагрузки 0,1...150 мА и постоянной температуре кристалла 25°C. Нестабильность по напряжению. Ступенчатое изменение входного напряжения приведет к броску напряжения на выходе. Коэффициент стабилизации — это отношение изменения выходного напряжения к изменению входного, выраженное в процентах. В абсолютном измерении пульсация по входу выражается в вольтах; при этом предполагается, что изменение входного напряжения составляет 1 В. Оригинальный термин — Line Regulation используется в обоих случаях, поэтому следует обращать внимание на единицу измерения. Нестабильность по нагрузке. Изменение тока в нагрузке от минимального до максимального значений вызовет бросок выходного напряжения. Этот параметр может задаваться как процент от выходного напряжения или как абсолютное значение (пульсация по нагрузке) в вольтах. В обоих случаях в оригинальных спецификациях используется термин Loan Regulation. Параметр PSRR характеризует степень подавления шумовой составляющей входного напряжения. По определению зависит от частоты шума. В спецификациях обычно задается в виде графика. Если указан в виде числа, то необходимо искать ссылку — о какой частоте идет речь. Шум выходного напряжения. Даже при неизменном входном напряжении и неизменном токе в нагрузке стабилизатор «шумит», формируя на выходе пульсацию 50…500 мкВ

в частотном диапазоне 10 Гц...100 кГц. В спецификациях используется единица измерения VRMS (RMS — среднеквадратичное отклонение). Температурный коэффициент выходного напряжения — дрейф выходного напряжения при изменении температуры кристалла. Размерность — %/°C или ppm/°C. ppm (Parts per Million) — число частей на миллион. Например, 100 ppm/C — то же самое, что и 0,01%/С.

CAP6217 и LDO-стабилизаторы 150 мА

Несколько слов о CAP6217. Универсальный LDOстабилизатор с регулирующим элементом на полевом транзисторе. Отличительной особенностью производитель называет минимальное время отклика при изменении входного напряжения или сопротивления нагрузки, что положительно сказывается на величине пульсаций выходного напряжения. Особые требования по обеспечению устойчивости отсутствуют. Встроенные защиты: от перегрева кристалла и ограничение тока в нагрузке (защита от КЗ). Наличие входа отключения от нагрузки. Дополнительные выходы (флаг ошибки, сброс по включению питания) отсутствуют. Стабилизатор выполнен в 5-выводном корпусе TSOP-23. Схема включения приведена на рисунке 3. В таблице 1 сведены основные технические характеристики LDO-стабилизаторов с максимальным током нагрузки 150 мА. Некоторые пояснения к таблице. Для сопоставимости данных в качестве первоисточников использовались технические спецификации (datasheets) производителя. При этом параметры были приведены к единой базе, а именно: 1. Падение напряжения различно для стабилизаторов с разным выходным напряжением. В таблице все значения приведены для изделий с выходным напряжением 2,5 В (для NCP629 — 2,8 В).

2. Под статическим током понимался ток, потребляемый стабилизатором при подключенной максимальной нагрузке, а не ток при отключенной нагрузке (режим Shutdown).

3. При различных вариантах точность выходного напряжения выбиралась для изделий с выходным напряжением 2,5 В.

4. Если нестабильность по входу и по нагрузке были заданы в процентах, то они пересчитывались в напряжения. При этом считалось, что изменение входного напряжения составляет 1 В и имелся в виду стабилизатор с выходным напряжением 2,5 В.

5. Коэффициент подавления шума приведен для частоты 1 кГц.

Рис. 3. Типовая схема включения CAP6217

Какие выводы о CAP6217 можно сделать из анализа таблицы? Для большинства отдельно рассматриваемых параметров CAP6217 можно подобрать изделие с лучшими характеристиками (особенно это касается падения напряжения и статического тока). Но если рассматривать совокупность параметров в комплексе, то необходимо признать его приоритет, поскольку: 1. Максимальное входное напряжение равно 6 В, и отсутствие изделия с выходным напряжением 5 В существенным недостатком считать нельзя. Если исходить из того, что назначение изделия — формирование низковольтных напряжений от вторичного источника питания 5 В, то этого достаточно.

2. Преимущество NCP629 и NCP600 в отношении падения напряжения на регулирующем элементе незначительно. По крайней мере, и по этому параметру CAP6217 входит в первую тройку.

3. По статическому току CAP6217 уступает только изделиям NCP551, NCP561 и NCP698, в которых минимизация этого параметра была сформулирована как цель. Возможно, она достигалась за счет остальных характеристик.

4. По точностным характеристикам изделие если не лучшее, то как минимум одно из лучших в этом классе.

5. Отметим очевидное преимущество по такому параметру как температурный дрейф. Стабилизаторы с параметром 100 ppm/C при изменении температуры в диапазоне 25...125°C дадут смещение на 1% при равных начальных условиях. У CAP6217 оно составит 0,4%. Отметим при этом начальное преимущество CAP6217 в точности, т.е. соответствие номиналу при 25°C. 6. Достигнутые плюсы не являются результатом усложнения схемы включения или внешних пассивных элементов (обвязки). Конденсаторы на входе и выходе номиналом 1 мкФ — типовое требование для всей рассматриваемой группы. Требования по значению ESR также необременительны. И, наконец, наличие конденсатора между выходом

59

Таблица 1. Характеристики LDO-стабилизаторов с током нагрузки 150 мА

электронные компоненты №8 2009

Таблица 2. Характеристики LDO-стабилизаторов с током нагрузки 300 мА

Таблица 3. Характеристики LDO-стабилизаторов с током нагрузки 500 мА

BYP и землей носит рекомендательный характер — его включение улучшает качество подавления входных шумов в широком частотном диапазоне.

LDO-стабилизаторы с током нагрузки 300 и 500 мА

60

Новое семейство универсальных LDO-стабилизаторов CAP621x представлено в этих классах двумя микросхемами CAP6218 (ток нагрузки 300 мА) и CAP6219 (500 мА). Тип корпуса, разводка выводов и типовая схема включения аналогичны CAP6217. В таблицах 2 и 3 представлены основные технические характеристики универсальных LDO-стабилизаторов с током нагрузки 300 и 500 мА, соответственно. Отметим, что микросхемы MC33275 и MC33375 идентичны по своим параметрам и отличаются только либо отсутствием, либо наличием входа отключения нагрузки On/Off. Выводы из таблицы 2.

1. Микросхемы MC33x75 уступают не только CAP6218, но и остальным микросхемам по всем параметрам. Их ниша — стабилизаторы с входным напряжением 6...12 В.

2. Микросхема NCP585, безусловно, позиционируется как стабилизатор с минимальным током потребления. Она имеет приоритет перед CAP6218 только в тех приложениях, где этот параметр наиболее важен, а остальные не являются существенными.

3. Преимущество NCP603 — в наличии модификации с выходным напряжением 5 В. (Еще раз заметим, что отсутствие этой модификации во всех микросхемах CAP621x говорит о том, что целевое назначение этих стабилизаторов не ориентировано на 5-В питание.) Технические параметры CAP6218 перекрывают остальные модификации NCP603.

4. Новая микросхема CAP6218 — универсальный для этого класса стабилизатор, оставляющий предшественникам достаточно узкие ниши в применении. Идентичность параметров объясняется аналогично.

NCP5500 и NCP5501 отличаются только типом корпуса, а NCP605 и NCP606 — отсутствием и наличием входа отключения нагрузки. Выводы из таблицы 3.

1. Представляется, что в этом классе преимущества от точностных характеристик не так заметны. Лишние

WWW.ELCP.RU

70...100 мВ в падении напряжения при токе 0,5 А в комплексе параметров могут оказаться критичными.

2. В приложениях с входным напряжением до 6 В стабилизаторы CAP6219 предпочтительнее NCP550x по параметрам статического тока и точности.

3. Конкуренцию в этой нише могут составить стабилизаторы NCP60x. Плюсы новых микросхем CAP6219 — более высокие точностные характеристики. Минусы — более высокое падение напряжения на регулирующем элементе. Таким образом, среди универсальных LDO-стабили­ заторов с выходным током 150…500 мА новое семейство CAP621x является наиболее универсальным. Соответственно, компания ON Semiconductor, определяя возможные области его применения, называет сотовые телефоны (высокая точность, минимум шумов на выходе); изделия с батарейным питанием (малое падение напряжения и малый статический ток) и потребительская электроника (разумная цена изделия с учетом обвязки и высокие пользовательские характеристики). Сочетание во многом взаимоисключающее и говорящее о высокой универсальности этих изделий.

NCP96x и LDO-стабилизаторы 1000 мА

Универсальный LDO-стабилизатор с током нагрузки 1 А использует в качестве регулирующего элемента полевой транзистор. Выпускается в трех модификациях: без сигнала подключения нагрузки (NCP960) и с наличием такого сигнала высокого (NCP961) и низкого (NCP962) уровней. Отличительной особенностью является наличие транзистора (Active Discharge), подключающего выход схемы на землю для форсированного разряда выходного конденсатора при отключении нагрузки. Имеются встроенные защиты: от перегрева кристалла и ограничение тока в нагрузке (защита от КЗ). Дополнительные выходы (флаг ошибки, сброс по включению питания) отсутствуют. Стабилизатор выполнен в 6-выводном корпусе DFN6 размером 3×3 мм. Схема включения приведена на рисунке 4. В таблице 4 представлены основные технические характеристики LDO-стабилизаторов ON Semiconductor с максимальным током нагрузки 1000 мА.

Таблица 4. Характеристики LDO-стабилизаторов с током нагрузки 1000 мА

Анализ приведенных в таблице данных однозначно показывает, что в приложениях с низким входным напряжением линейные стабилизаторы, выпускавшиеся компанией ON Semiconductor ранее, конкуренцию NCP96x составить не могут. Более чем 5-кратное снижение падения напряжения на регулирующем элементе и как минимум 3-кратное снижение статического тока; более чем 4-кратное снижение занимаемой на печатной плате площади при равных точностных характеристиках говорят сами за себя. Рассеиваемая на регулирующем элементе мощность снижена более чем на 0,8 Вт. Производитель определяет следующие основные области применения данных микросхем: – питание микропроцессоров, DSP-процессоров, FPGAмикросхем; – питание ноутбуков и плат персональных компьютеров; – модемы, средства телекоммуникации; – портативное оборудование. Детальный анализ и сравнение конкретных изделий явно выходит за возможности данной статьи. Проще обозначить, какие значения ключевых параметров в данном классе изделий соответствуют требованиям сегодняшнего дня. Исходные данные: – ток нагрузки — 1000 мА; – максимальное входное напряжение –6…10 В. Модификации стабилизатора имеют не менее 4-х ва­ри­ антов выходного напряжения в диапазоне 1,2...5 В. Резуль­ таты: – падение напряжения на регулирующем элементе — 100…450 мВ; – статический ток — 100…250 мкА; – точность выходного напряжения — 0,5—2,5%. Вывод только один: NCP96x — не только прорыв в масштабе продукции ON Semiconductor, но изделие как минимум не теряется среди лучших микросхем других производителей.

Рис. 4. Типовая схема включения NCP962 Заключение

Рассмотренные новинки универсальных LDO-стаби­ ли­заторов, выпущенные на рынок в этом году, качест­ венно изменили линейку этой продукции от компании ON Semiconductor. Безусловно, конечный потребитель оценит значительные улучшения технических характеристик и связанные с этим возможности применения их в современных разработках. Литература 1. Звонарев Е. Стандартные линейные и LDO-стабилизаторы ON Semiconductor//Новости электроники, 2008, №10.

2. Linear Voltage Regulator Selector Guide//документ компании ON Semiconductor SGD520-D.pdf.

3. CAT6217 — 150 mA CMOS LDO Regulator//документ компании ON Semiconductor CAT6217-D.pdf.

4. CAT6218 — 300 mA CMOS LDO Regulator//документ компании ON Semiconductor CAT6218-D.pdf.

5. CAT6219 — 500 mA CMOS LDO Regulator//документ компании ON Semiconductor CAT6219-D.pdf.

6. NCP690, NCP691, NCP692//документ компании ON Semiconductor CAT690-D.pdf.

61

Новости RFID

| Сбербанк начал оцифровывать отпечатки пальцев своих клиентов | В Астраханской области Сбербанк начал выпуск биометрических кредитных карт для специализированных банкоматов — они идентифицируют информацию о пользователе по отпечаткам пальцев. Держатели карт смогут снимать деньги, прикладывая к терминалу 3 пальца. В пресс-службе Сбербанка утверждают, что банкоматы с биометрической идентификацией по отпечаткам пальцев создаются для удобства клиентов, т.к. возможность использования стандартного способа получения информации и проведения операций через введение PIN-кода сохранится. Биометрические карты выпускаются пока только для тех, кому положены льготы при оплате услуг ЖКХ. С начала 2009 г. льготы монетизировали — на биометрическую карту зачисляется сумма льготы. Биометрия также исключает возможность несанкционированного использования карты другим лицом. Возможность снять деньги со счета будет предоставлена только тому человеку, чьи персональные данные занесены на карту. По словам зам. председателя правления «Абсолют Банка» Олега Скворцова, в ближайший год ажиотажного спроса на такие карты не будет, хотя в долгосрочной перспективе подобные проекты могут стать востребованными. Другие банки не торопятся устанавливать биометрические банкоматы — специализированное оборудование стоит дорого, а спрос на услугу появится не раньше, чем через год. В пресс-службе ВТБ 24 сказали, что не планируют внедрять биометрические считывающие устройства в ближайшее время. «Сейчас биометрия — самый эффективный и дорогой способ идентификации», — уточнил официальный представитель банка. www.russianelectronics.ru

электронные компоненты №8 2009

Характеристики производительности микроконтроллеров на базе ядра ARM Cortex-M3 Сергей Шумилин, нач. отд. разработки цифровых интегральных схем, ЗАО «ПКК Миландр» В 2006 г. компания ARM представила на рынке новое процессорное ядро Cortex-M3, которое пришло на замену более старого ядра — ARM7TDMI. Такие разработчики микроконтроллеров (МК) как STMicroelectronics, NXP, Texas Instruments и др. приобрели лицензию на это ядро и наладили серийный выпуск МК на его базе. В 2008 г. лицензию на данное ядро приобрела и российская компания ЗАО «ПКК Миландр», запланировавшая к выпуску отечественную линейку МК серии 1986ВЕ91 для аппаратуры специального назначения. В статье рассматриваются показатели производительности МК различных вендоров, но с одним общим процессорным ядром. Микроконтроллеры серии 1986ВЕ91

Особенности отечественного рынка микроэлектроники специального назначения предъявляют к разрабатываемым микросхемам несколько иные требования, в отличие от традиционного рынка микросхем. Если все производители для удешевления кристаллов минимизируют его размер за счет сокращения объема встроенной памяти и уменьшения набора периферии и, следовательно, пакуют их в меньшие корпуса, то разрешенные к применению российские корпуса при их огромной стоимости и габаритах позволяют с большей выгодой устанавливать один

и тот же кристалл в корпуса различных размеров. Таким образом, для удешевления стоимости микросхем данной серии один и тот же кристалл пакуется в различные корпуса, а потеря в функциональности обусловливается тем, какие из его выводов развариваются. При этом объем встроенной памяти у всех микросхем одинаков. Основные характеристики МК серии 1986ВЕ91 приведены в таблице 1. Производительность микроконтроллеров

Несмотря на стандартное ядро ARM Cortex-M3, характеристики производительности МК от различных фирм

Микроконтроллеры и DSP

62

Корпус, кол-во выводов Ядро Флэш-память программ, Кбайт Память данных, Кбайт Питание, В Частота, МГц Температура, °С USER IO USB UART CAN SPI I2C АЦП 12 разрядов, 1 Мвыб./с, кол-во каналов ЦАП 12 разрядов Компаратор, кол-во входов Внешняя шина, кол-во разрядов

www.elcp.ru

96

2 32

88 64 48 ARM Cortex-M3 128 32 2,0…3,6 80 –60…125 74 62 45 31 Device и Host FS (до 12 Мбит/с), встроенный PHY 2 2 1 2 1 1 16 10 8 5 1 2 1 3 2 16 8

1986ВЕ91У3

1986ВЕ91У2

108

1986ВЕ91У1

132

1986ВЕ91T3

1986ВЕ91T2

Серия

1986ВЕ91T1

Таблица 1. Основные характеристики МК серии 1986ВЕ91

42

25

3 – –

имеют разные показатели. В первую очередь, это обусловлено системой памяти программ, реализованной в МК. Практически все МК с ядром ARM Cortex-M3 могут функционировать на частотах более 50 МГц, т.е. время выполнения одной инструкции составляет менее 20 нс. При этом практический предел скорости доступа к внутренней памяти программ флэш-типа равен 30…40 нс. В результате флэшпамять не успевает выдать новый код инструкции за один такт. Для того чтобы компенсировать медленную скорость работы памяти программ, в микроконтроллерах реализуется более разрядная, например 128-бит память, что позволяет за один цикл извлекать не одну, а сразу несколько инструкций. За то время, пока процессор выполняет инструкции из выбранного блока, подготавливается новый блок. В результате, если код выполняется линейно, такой механизм позволяет эффективно увеличить скорость работы процессорного ядра до 100 МГц и более. Структура простейшего ускорителя флэш-памяти программ представлена на рисунке 1. Однако как только процессор выполняет инструкцию ветвления либо обращается по ранее не предсказанному адресу, ускоритель инициализирует новый цикл обращения к флэш-памяти и на время выборки приостанавливает работу процессора. Очевидно, что ускоритель флэшпамяти должен быть настраиваемым. Если разработчику системы с использованием микроконтроллера не требуется, чтобы процессор функционировал с тактовой частотой более 20 МГц, в этом случае флэш-память успевает выдать новые данные за один цикл, и

Рис. 2. Прототип микроконтроллера 1986ВЕ91T1 на базе FPGA

Рис 1. Простейший ускоритель флэш-памяти программ

Показатели производительности

В настоящее время на российском рынке в основном представлены МК с ядром ARM Cortex-M3 компаний STMicroelectronics (семейство STM32Fxxx) и NXP (семейство LPC17xx). Для первоначального знакомства с этими микросхемами предлагаются демонстрационные отладочные средства, например модуль STM3210BEVAL с МК STM32F103VBT6 фирмы STMicroelectronics. Для знакомства с микроконтроллерами NXP серии LPC17xx можно приобрести демонстрационный отладочный модуль RDB1768 с микроконтроллером LPC1768 от фирмы CODERED. Для предварительного прототипирования микроконтроллеров серии 1986ВЕ91 компания «Миландр» разработала аппаратный прототип будущей микросхемы на базе FPGA, внешний вид которого представлен на рисунке 2. Все перечиленные демонстрационные отладочные средства позволяют запускать на этих МК различные тестовые задачи и сравнивать полученные характеристики. В качестве основной тестовой задачи была выбрана программа реализации электронной циф-

ровой подписи (ЭЦП). Эта программа не требует работы с периферией, что позволяет легко переносить ее с одного микроконтроллера на другой. Исходный код написан на языке

Таблица 2. Число тактов, требуемых для выполнения тестовой задачи Число циклов процессора для выполнения тестовой задачи, млн

Число дополнительных циклов задержки ускорителя

STM32F103

1986ВЕ91Т

LPC1768

0

411

446

407

1

506

514

413

2

662

541

422 432

3

859*

617

4

1054*

669*

442

5

1251*

704*

451*

* Использованы нерегламентированные режимы работы микросхемы.

63 Микроконтроллеры и DSP

необходимость в ускорении отсутствует. Если процессор работает на частоте до 40 МГц, то для выполнения непредсказаной выборки требуется один дополнительный такт; при частотах до 60 МГц — два и т.д. Все разработчики МК с ядром ARM Cortex-M3 реализуют собственные ускорители флэш-памяти. В результате, чем эффективнее решение, тем бóльшей производительностью обладает микроконтроллер.

С и оформлен в виде проекта под IDE Keil uVision. Проект компилируется и запускается с минимальными изменениями на всех микроконтроллерах. Исходные коды проекта доступны на официальном сайте фирмы «Миландр» forum.milandr.ru. В программе задается режим работы ускорителя флэш-памяти, и выполняются 10 итераций вычисления ЭЦП над некоторыми условными данным. Время выполнения всех итераций фиксируется в циклах процессорного ядра (см. табл. 2).

Рис. 3. Число тактов выполнения тестовой задачи при различном значении дополнительных циклов задержки ускорителя

электронные компоненты №8 2009

Для большей наглядности данные приставлены в виде диаграммы на рисунке 3. Характеристики приведенной производительности с учетом тактовой частоты представлены на рисунке 4. Как видно из графиков, производительность растет пропорционально тактовой частоте, но при достижении таких ее значений, при которых требуются дополнительные циклы задержки, происходит падение производительности. Таким образом, корректное повышение тактовой частоты процессорного ядра не всегда приводит к повышению производительности. Например, при повышении тактовой частоты процессора STM32F103 с 48 до 49 МГц, наоборот, произойдет снижение производительности, а ее дальнейший рост начнется только с 63 МГц. Значения тактовых частот и требуемых дополнительных задержке ускорителя флэш-памяти программ приведены в таблице 3.

Рис. 4. Зависимость производительности МК от тактовой частоты процессорного ядра

Выводы

Микроконтроллеры и DSP

64

Очевидно значительное превосходство МК серии LPC17xx. Как видно из технической документации, в первую очередь это достигнуто за счет ускорителя флэш-памяти. Так, в микроконтроллере STM32F103 в ускорителе присутствуют всего два 64-бит регистра ранее выбранных значений. В МК 1986ВЕ91 на этапе разработки была реализована схема с одним 128-бит регистром ранее выбранных значений, аналогичная представленной на рисунке 1 структуре. Этот ускоритель имел характеристики, не намного превосходившие характеристики МК STM32F103. Однако с выходом на рынок МК LPC17хх стал очевиден достижимый потенциал производительности. В условиях жестких рамок уже готового проекта, находящегося на стадии разработки топологии, было принято решение о переработке ускорителя флэш-памяти с целью повышения его производительности. В результате в МК 1986ВЕ91 был реализован ускоритель, представленный на рисунке 5. В первую очередь, в ускорителе были разнесены в отдельные регистры ранее выбранные инструкции и данные, хранимые в коде программы. Это позволило не сбивать последовательность выборки инструкций при обращении к данным. Кроме того, было увеличено число хранимых в ускорителе ранее выбранных значений, а для инструкций и данных реализовано по два 128-бит регистра. Эти изменения позволили значительно повысить производительность МК серии 1986ВЕ91, но не позволили достичь показателей микросхем серии LPC17xx. Как следует из документации на МК NXP, в ускорителе флэш-памяти реализовано восемь

www.elcp.ru

Рис 5. Структура ускорителя флэш-памяти МК серии 1986ВЕ91 Таблица 3. Число дополнительных циклов задержки ускорителя при различных тактовых частотах Число дополнительных циклов задержки ускорителя 0 1 2 3 4 5

STM32F103

1986ВЕ91Т*

LPC1768

до 24 МГц до 48 МГц до 72 МГц – – –

до 25 МГц до 50 МГц до 75 МГц до 100 МГц – –

до 20 МГц до 40 МГц до 60 МГц до 80 МГц до 100 МГц до 120 МГц

* Предварительные расчетные данные.

128-бит регистров ранее выбранных значений. К сожалению, в связи с жесткими временными рамками в разработке микроконтроллеров серии 1986ВЕ91 дальнейшие работы по повышению

производительности ускорителя флэшпамяти были остановлены, но в новой серии МК 1901ВЦ1 будут учтены все выявленные недостатки и реализованы новые идеи, позволяющие значительно повысить производительность.

16- и 32-разрядные МК: за и против Владимир Фомичёв, редактор, ИД «Электроника» 16-разрядные микроконтроллеры вполне эффективно могут применяться в следующем поколении встраиваемых систем, несмотря на то, что 32-разрядные МК успешно завоевывают массовые рынки. В статье подробно рассматриваются причины, позволяющие сделать такой вывод.

32-разрядным МК — устройствам с наилучшей производительностью для реализации современных приложений, т.к. проще конструировать систему с «дополнительным» быстродействием, предполагая, что это преимущество позволит решить многие задачи в процессе разработки. Кроме того, эффективность компиляторов, работающих с языками высокого уровня, намного больше по сравнению с физической архитектурой. Тем не менее стоимость 32-разрядных решений высока, а рост ее быстродействия сопряжен с увеличением расхода мощности из-за больших токов утечки и режима ожидания. В данном случае для оптимизации решения требуется установить соответствие между характеристиками системы и производительностью выбираемых компонентов. Если, к примеру, инженер не станет использовать 20-Мвыб./с АЦП для оцифровки 44-Квыб./с аудиоприложения, то зачем устанавливать 32-разрядный МК для выполнения тех задач, с которыми справится 16-разрядный МК с необходимой производительностью?

32-разрядное устройство увеличит сто-

имость системы, повысит ее потребление и ток в режиме ожидания. При выборе МК недостаточно учитывать лишь их производительность — для окончательного решения следует также знать, насколько эффективно используется этот параметр. Например, у 16-разрядного процессора eCOG16EO1 компании Cyan то же быстродействие, что и у младших моделей 32-разрядных МК, причем у него такие же низкие показатели энергопотребления, что и у маломощных 8- или 16-разрядных МК. В приложениях с батарейным питанием, например в системах автоматизированного сбора данных со счетчиков и ZigBee, это преимущество может оказаться очень важным, поскольку источник питания должен иметь продолжительный срок эксплуатации. Новые 16-разрядные архитектуры позволяют добиться высокой производительности решения, не жертвуя его энергэффективностью, что хорошо иллюстрирует пример приложений с использованием центрального процессора CyCore, который управляет самоформирующейся и самоизлечивающейся ВЧ-сетью Cy-Net3 и обладает

65 Микроконтроллеры и DSP

Недавний обзор сегмента встраиваемых систем, проведенный компанией TechInsights (см. рис. 1), показал, что 19% разработчиков используют 16-разрядные процессоры в своих текущих проектах, и это соотношение остается неизменным в течение последних четырех лет. Данное число существенно меньше 58% разработчиков, применяющих 32-разрядные устройства, но больше 13%, отдающих предпочтение 8-разрядным МК. В настоящее время сложилось мнение, что все встраиваемые приложения переходят на применение 32-разрядных МК. Возможно, это и справедливо для рынков массового спроса, например рынка мобильной связи, но архитектура 8-разрядных МК продолжает наиболее широко использоваться в других приложениях. Так происходит не из-за какой-то особенной привязанности разработчиков к ширине шины, но обусловлено тем, что подавляющее большинство функций и приложений по-прежнему реализуется с помощью недорогих 8-разрядных устройств. В стремлении добиться большего быстродействия системы команд писались для программирования на ассемблере, причем основные усилия разработчиков были сосредоточены на командах для реализации высокой производительности встраиваемых приложений. Поскольку 8-разрядные архитектуры были созданы до появления языков высокого уровня, системы команд не предусматривали использование эффективных компиляторов С с жесткими требованиями к размерам кода и поддержкой абстрактных структур. По той причине, что у 8-разрядных устройств были ограниченные арифметические функции, например умножения и деления, им зачастую требовалось несколько тактов на команду, из-за чего их производительность проигрывала в сравнении с позже появившимися архитектурами. Сталкиваясь с этими ограничениями 8-разрядных МК, инженеры по понятным причинам отдавали предпочтение

Рис. 1. Использование микроконтроллеров во встраиваемых системах

электронные компоненты №6 2009

Микроконтроллеры и DSP

66

достаточным быстродействием, чтобы обеспечить прямую защиту от ошибок (Forward Error Correction) на физическом уровне. К преимуществам такого решения следует отнести и сверхнизкое потребление батарей, и высокую производительность на системном уровне, что не достигается с помощью 32-разрядного решения. Данный пример убедительно показывает преимущества выбора, когда в расчет принимается соответствие параметров компонентов и характеристики системы. Несмотря на возражения о том, что всегда имеется возможность добиться приемлемой производительности благодаря 8/16-разрядным ЦП путем тщательного и кропотливого программирования на ассемблере, многие современные 16-разрядные МК имеют достаточно эффективные компиляторы С. Тем не менее некоторые 16-разрядные микроконтроллеры незаслуженно не нашли применения для выполнения физических функций ЦП. Наиболее эффективными компиляторами становятся те, которые создаются при тщательном учете особенностей оборудования. При проектировании 16-разрядного ЦП с высокой производительностью также следует учесть несколько требований, чтобы компилятор обеспечил эффективный и компактный код. Во-первых, ортогональные RISC-архитектуры с большим количеством регистров общего назначения и с архитектурой загрузка/запоминание позволяют оптимизировать компилятор для работы с языками высокого уровня. Кроме того, добавление требуемого количества регистров адреса и режимов обеспечивает эффективную реализацию указателей и структур, которые используются в современных методах программирования на языке высокого уровня. При такой сильной взаимозависимости архитектуры ЦП и компилятора единственный правильный метод реализации эффективного решения заключается в одновременной разработке компилятора и архитектуры ЦП. Тест Dhrystone показал, что с помощью этого метода достигается производи-

тельность 0,7 MIPS, а уплотнение кода в стандартных тестах оказалось на 20% лучше, чем в системах на базе 32-разрядного ядра ARMv6. Таким образом, 32-разрядные устройства — не всегда очевидный выбор для приложений с высоким быстродействием, т.к. следует учитывать и другие показатели для достижения оптимального баланса между требованиями и практической реализацией решения. Например, необходимо принять во внимание, насколько велик максимальный объем данных, с которым будет работать приложение. Если речь идет о 16-разрядных (и менее) данных, то в 32-разрядном решении большая часть циклов ЦП будет затрачиваться на перемещение нулей и придется дорого заплатить за эти неиспользуемые разряды регистра. Кроме того, большая часть внутренних периферийных устройств — АЦП, ЦАП, таймер/счетчики, UART, SPI, I2C, CAN, WDT и т.д. — в настоящее время оптимизирована под 16 разрядов, тогда как 32-разрядные регистры не используются, и система в целом теряет часть регистрового пространства при передаче данных. Исследование производительности любого проекта очень важно с точки зрения оптимизации его стоимости, определения производительности и энергопотребления, но этим этапом зачастую пренебрегают, предъявляя завышенные требования к техническим характеристикам, что считается наиболее безопасным выбором. В результате система оказывается дорогостоящей и неконкурентоспособной. В таком случае компании-производители очень редко идут на доработку изделия, чтобы снизить его сложность и стоимость, т.к. безвозвратно теряют свою долю рынка. Несмотря на то, что всегда будут существовать приложения, в которых требование обеспечить максимальную производительность является наиважнейшим, факт, что 8-разрядные устройства все еще пользуются неплохим спросом, говорит о том, что большинство приложений хорошо работает на этих микроконтроллерах. В настоящее время несколько компаний из Азиатско-

Тихоокеанского региона производит 8-разрядные устройства, обеспечивая спрос на недорогие оптимизированные решения на этом сегменте рынка. Сохраняющаяся потребность в 8-разрядных устройствах свидетельствует о том, что 16-разрядные МК вполне заслуженно и эффективно могут использоваться в следующем поколении встраиваемых систем. Такие приложения как автоматизация дома, интеллектуальное управление освещением и, особенно, беспроводные сети, являются идеальными кандидатами на использование 16-разрядных МК, т.к. 8-разрядные устройства не отвечают требованиям по вычислительной мощности в этих применениях. С помощью самого последнего поколения 16-разрядных RISC-микроконтроллеров с HD-ЦП, например eCOG16E01 компании Cyan, требуемая производительность указанных приложений обеспечивается не за счет их высокой стоимости и энергопотребления. Благодаря тому, что энергопотребление этих устройств составляет менее 1 мВт/ МГц, а частота процессора достигает 50 МГц, они вполне конкурентоспособны с младшими моделями 32-разрядных МК. История космонавтики преподала нам наглядный урок по оптимизации проектов. Известно, что успешная посадка космического корабля Apollo стала величайшим технологическим достижением XX века. Она стала возможной также благодаря компьютеру, осуществлявшему автоматическое управление посадкой корабля и оснащенному лишь четырьмя 16-разрядными регистрами. Их количество могло бы быть и большим, но инженеры компании MIT, выполнявшие заказ для NASA, тщательно проанализировав требования по производительности, энергопотреблению и функциональности, пришли к выводу, что четырех регистров достаточно для выполнения поставленной задачи. Результат сказал сам за себя. Литература 1. Colin Holland, Opportunities still exist for 16-bit microcontrollers.

События рынка

| НИИ «Восход» выиграл контракт на обслуживание ГАС «Выборы» | ФГУП НИИ «Восход» выиграло открытой конкурс на сопровождение специального программного обеспечения (СПО) подсистемы автоматизации избирательных процессов Государственной автоматизированной системы Российской Федерации (ГАС) «Выборы». Стоимость контакта — 12 млн 215 тыс. руб. Заказчик — Федеральный центр информатизации при ЦИК России. Контракт рассчитан до 15 декабря 2009 г. Согласно контракту, «Восход» осуществит модификацию программного оборудования системы ГАС «Выборы» для информационного обеспечения избирательных комиссий всех уровней в период подготовки и проведения выборов, а также в межвыборный период для решения задач, не связанных с выборами и референдумами. «Восход» займется доработкой СПО подсистемы автоматизации избирательных процессов ГАС «Выборы». www.russianelectronics.ru

www.elcp.ru

Высокопроизводительные вычисления на многоядерных процессорах в реальном времени АлЁша Вранчич (Aljoša Vrančič), Джеф Мейзел (Jeff Meisel), National Instruments В статье рассматриваются методы оптимизации многоядерных систем для выполнения высокопроизводительных вычислений в реальном времени на примере процессора Intel. Данные методы применяются во многих проектах, включая мониторинги здоровья, системы контроля зданий или объектов, «помощники водителя» и т.д. Статья представляет собой сокращенный перевод [1]. выполнения задач, не думая о взаимодействиях между ядрами. Вычисления в реальном времени

Для полноценного использования ресурсов системы необходимо преду­ смотреть параллельные алгоритмы вычисления. При выборе алгоритма следует учитывать архитектурные особенности системы и требования к приложению. Одним из наиболее удобных языков программирования является LabVIEW. Он поддерживает работу с ОСРВ, параллельные алгоритмы, а также содержит большой набор инструментов, в т.ч. для оптимизации и синхронизации работы многоядерных систем. Рассмотрим кратко три подхода, которые можно применить в высокопроизводительных системах реального времени: конвейерный алгоритм, разделение данных и N-мерная сетка. Конвейер (Pipelining)

Этот подход обычно используется в потоковых приложениях, а также в тех случаях, когда алгоритм состоит из нескольких шагов, выполнение каждого из которых занимает много времени и ресурсов ЦП. Например, в блоках быстрого преобразования Фурье. Как следует из названия, принцип здесь такой же, что и у конвейера: каждая стадия выполняется на отдельном ядре, а результат передается следующему и так до конца (см. рис. 2). Шаги, или стадии, должны быть подобраны так, чтобы их выполнение занимало примерно одно и то же время.

Алгоритм можно прокручивать много раз с разными наборами данных, как показано на рисунке 2. Главное — разбить алгоритм на равные по времени выполнения блоки. Недостатками данного подхода являются, во-первых, незащищенность от потери данных из кэш-памяти, а во-вторых, снижение быстродействия при большом количестве пересылок между ядрами. Разделение данных

Если требуется обработать большой объем данных, то применяется другой подход, когда массив данных разбивается на блоки, каждый из которых обрабатывается отдельно, а затем они снова соединяются, формируя конечный результат. Скорость обработки при этом увеличивается пропорционально количеству потоков. Разделение потока данных применяется, например, в системах контроля для одновременного умножения больших матриц на векторы. Размер матрицы обычно жестко задан, поэтому ее можно разделить на части. Вектор описывает показания датчиков и принимает новые значения при каждом прогоне. По результату перемножения можно судить об изменениях в системе или контролировать какую-либо величину. Программно этот подход реализуется следующим образом. Матрица разбивается на блоки, причем их количество равно количеству ядер, участвующих в вычислении. Затем каждый блок умножается на вектор, а результаты суммируются в один общий вектор.

Рис. 1. Связь между ядрами в процессоре

электронные компоненты №8 2009

67 Микроконтроллеры и DSP

Высокопроизводительные вычисления (НРС — high-performance com­ pu­ting) ввиду их громоздкости нельзя провести на персональном компьютере, не говоря уже о встраиваемых системах. Однако с появлением многоядерных процессоров современные устройства могут решать все больше задач. Подобного уровня развития НРС-систем пять лет назад невозможно было представить. Основной объем вычислений зачастую проделывается автономно, т.е. процессор получает исходные данные, затем обрабатывает их и выдает конечный результат. Такие системы нельзя назвать системами реального времени, как бы быстро они ни работали. Вычисления в режиме реального времени предполагают ограничения по времени, за которое должен быть выдан результат (детерминизм). Подход, применяющийся в обычных системах, когда задачи распределяются между узлами системы посредством обмена сообщениями по Ethernet (стандарты MPI, MPICH), для систем реального времени неприемлем. Во-первых, пересылка сообщений происходит с задержками, а во-вторых, такой подход не позволяет синхронизовать узлы с большой точностью (не больше 1 мс). Строго говоря, его можно адаптировать для работы в реальном времени, но он изначально был разработан для других целей. Многоядерные системы оказываются более приспособленными к работе в режиме реального времени, поскольку связь между ядрами осуществляется не по сети, а по системной шине (см. рис. 1). Кроме того, многоядерные системы, как правило, поддерживают работу с симметричными ОС, которые автоматически распределяют задачи по доступным ресурсам. Это значительно облегчает проектирование. Разработчик лишь указывает временные ограничения и приоритетность

Рис. 2. Конвейерный принцип реализации параллельных вычислений Структурная сетка

Этот алгоритм применяется обычно для проведения вычислений, связанных с физическими моделями. Примером может служить решение уравнения теплового баланса системы, в котором граничные условия постоянно меняются. Двумерная (в общем виде N-мерная) таблица вычисляется на каждой итерации, причем значение каждой ячейки зависит от соседних. Для многоядерных систем алгоритм изменяется следующим образом: сетка сначала разделяется на несколько блоков, каждый из которых вычисляется отдельно. Эффективность параллельных вычислений определяется отношением площади сетки к периметру. Важно подчеркнуть, что какой бы ни был выбран подход, необходимо правильно организовать блок памяти. Кэш-память

В традиционных встраиваемых системах обращение к кэш-памяти ЦП рассматривается как вынужденная мера. Дело в том, что время выполнения задачи зависит от объема занесенного в кэш кода (или данных), к которому будет происходить обращение во

Микроконтроллеры и DSP

68 Рис. 3. Время выполнения цикла заданной длительности в зависимости от объема кэшированного кода

Рис. 4. Производительность процессора в зависимости от объема кэшированных данных

www.elcp.ru

время выполнения задачи. Зависимость эта обратно пропорциональная — чем больше данных будет занесено в кэш, тем быстрее выполнится задача. Время выполнения недетерминировано. Для иллюстрации воспользуемся структурой, входящей в LabVIEW, которая называется «цикл заданной длительности» (timed loop). Она работает так же, как и цикл while, но учитывая аппаратные требования. К примеру, ее можно сконфигурировать так, чтобы она выполнялась на одном потоке. Длительность цикла задается с точностью до мкс. Циклу можно присвоить соответствующий приоритет для выполнения в ОСРВ. Кроме того, в цикле предусмотрена установка родственности процессоров, а также отклик на прерывания. Хотя в рассмотренных алгоритмах не используется цикл заданной длительности, эта структура полезна при разработке HPC-приложений реального времени. Параллельные вычисления проводятся с помощью нескольких циклов и служебных структур очередности (queue structure), которые осуществляют пересылку данных между циклами. Время выполнения цикла заданной длительности как функции от количества кэшированного кода или данных показано на рисунке 3. Для получения этой зависимости после каждого прогона цикла уменьшали массив данных, необходимых для выполнения критичной ко времени задачи. Это происходило за счет записи в кэш нового массива, к которому после каждой итерации прибавлялась единица. Из рисунка 3 видно, что чем меньше исходных данных записано в кэш, тем дольше выполняется код. В высокопроизводительных системах реального времени кэш-память очень важна, поскольку она позволяет использовать вычислительные ресурсы ЦП. Простой пример. Допустим, мы хотим добавить 1 ко всем элементам массива с обычной точностью, используя 3-ГГц процессор, который может выполнять одну операцию с плавающей точкой за один цикл такта, т.е. требуется выполнить 3 млрд операций в секунду (3 GFLOP). Тогда пропускная

способность блока памяти должна составлять по меньшей мере 24 Гбайт/с (по 12 Гбайт/с в каждом направлении). В современных системах эта планка пока не достигнута. Самая большая полоса у трехканального процессорного модуля i7, она составляет 18 Гбайт/с. Однако в нем содержится несколько блоков FPU (Floating Point Unit — блок арифметики с плавающей запятой), поэтому он может производить более одной операции за такт. Используя дополнительные инструкции SSE, в каждом такте можно прибавлять не одно, а четыре числа типа float с обычной точностью. Таким образом, для обработки массива потребовалась бы полоса 96 Гбайт/с, чтобы не было остановов. На рисунке 4 показана зависимость количества операций в секунду от размера массива для процессора i7 с частотой 3,2 ГГц при выполнении двух функций с использованием команд SSE: x[i] = x[i] + 1 (красная кривая) и x[i] = A . x[i]2 + B . x[i] + c (синяя кривая). Аргументом для обеих функций служат элементы массива чисел типа float с обыкновенной точностью. На графиках четко видны три ступени кэша: L1 (32 Кбайт), L2 (256 Кбайт) и L3 (8 Мбайт). Когда все данные помещаются на уровне L1, производительность одного процессора достигает 8,5 GFLOP при пропускной способности памяти 72 Гбайт/с. Когда данные переполняют L2, процессор выполняет до 4,75 млрд операций при пропускной способности памяти 38 Гбайт/с. Как только данные начинают выходить за рамки кэш, быстродействие падает до 0,6 млрд операций в секунду, удерживаясь на уровне 4,8 Гбайт/с. На рисунке 4 видна дополнительная ступень в начале красной кривой. Она может указывать на еще один уровень кэш — 8 Кбайт. Максимальное и минимальное быстродействие отличаются в 14 раз. Для процессора с четырьмя ядрами разница еще больше за счет параллельных вычислений. В лучшем случае четырехъядерный процессор может выполнить 36 млрд операций, поскольку блоки кэш-памяти независимы. В худшем — те же 0,6 млрд, поскольку память ОЗУ является общей для всех процессоров. Итак, разница в 56 раз. Для верности запустим другую задачу, выполнение которой требует больше операций в секунду. Вместо прибавления единицы к элементу вычислим полином второго порядка. Это потребует примерно в 4 раза больше операций. Полученная зависимость изображена синим графиком на рисунке 4. Как и ожидалось, максимальное быстродействие увеличивается до 15 млрд операций в секунду, поскольку процессор обращается к памяти реже. По этой же причине уменьшается разница в быстродействии системы между слу-

2. Если назначить процессору выполнение только одной задачи, то контрольная матрица всегда будет находиться в кэше, что повысит производительность системы.

3. Разделение процедуры умножения на несколько параллельных задач увеличивает объем кэш-памяти, доступной для работы.

4. Новый алгоритм предусматривает обращение к матрице в обоих направлениях. На рисунке 5 показана зависимость времени умножения матрицы на вектор от величины матрицы. Данные были получены на двух четырехъядерных процессорах Intel Xeon с тактовой частотой 2,6 ГГц и 12 Мбайт кэш-памяти в каждом. Задействовано было всего четыре ядра, по два на каждом процессоре. Вывод: рассмотренные приемы управления кэш-памятью помогают значительно ускорить вычисления. Литература 1. А. Vrančič, J. Meisel. A real-time HPC-ap­proach for optimizing Intel multi-core ar­chi­tec­tu­res//www.industrial­control­design­line.com/ howto/218100688

Рис. 5. Время, затрачиваемое на умножение матрицы на вектор, как функция размера матрицы

электронные компоненты №8 2009

69 Микроконтроллеры и DSP

чаями, когда данные полностью расположены в кэше уровня L1 или L2. Поскольку задержка и пропускная способность памяти являются ограничивающими факторами, то мы опять видим большую разницу в производительности, хотя и не такую ощутимую, как в первом случае, всего в 8 раз. Рассмотренный пример показывает, что процессоры с несколькими ядрами могут работать быстрее, чем одноядерные, только в том случае, если хватает размера их кэш-памяти. Тем не менее из рисунка 4 следует, что лишняя пересылка данных между ядрами может существенно снизить быстродействие, особенно если данные перемещаются из основной памяти. Это необходимо учитывать при организации параллельных вычислений, поскольку при распараллеливании задачи часть данных из кэша стирается. В итоге можно не только потерять весь выигрыш в быстродействии, который был получен за счет использования нескольких ядер, но и получить систему с меньшей производительностью, чем одноядерная. А что делать, если данные не помещаются в кэш? В этом случае необходимо проанализировать поток данных, использующийся критичной ко времени задачей, и выделить среди них наиболее важные. Например, данные, использующиеся в алгоритмах контроля, должны быть доступны в любое время, поэтому они хранятся в кэше. Данные, которые используются для интерфейса пользователя, не являются критичными ко времени и их можно поместить в ОЗУ. Другой способ хранить данные в кэше — не позволять другим потокам выполняться на данном ядре. В этом случае очень полезна возможность ОСРВ резервировать определенный процессор для выполнения выбранной задачи. Следует иметь в виду, что в некоторых процессорах кэш-память расположенных на одном физическом кристалле ядер объединена (например, в i7 кэш L3 используется 8 ядрами). В этом случае резервирование становится крайне неэффективным методом. Если построить алгоритм так, чтобы обращение к данным поочередно производилось в двух направлениях (от первого к последнему и от последнего к первому), то в кэш можно поместить больше данных. Дело в том, что если обращение к данным производится в одном направлении, то те данные, которые уже не помещаются в кэш, непременно теряются. Если же обращение происходит в двух направлениях, то те данные, к которым происходило последнее обращение в предыдущем цикле, могут оказаться первыми, к которым обратится процессор в последующем цикле. И они уже находятся в кэше. Если объем данных не намного превышает емкость кэш-памяти, то этот прием поможет ускорить выполнение задачи. Однако выигрыш будет тем меньше, чем больше данных не помещается в кэш. На рисунке 5 показаны результаты, иллюстрирующие применение указанных методик управления кэшем. Задача заключалась в умножении матрицы размером 3000×6000 на вектор из 6000 элементов и решалась для системы контроля самой большой в мире Европейской южной обсерватории. Система раз в миллисекунду считывает показания датчиков, чтобы определить расположение элементов зеркала. Если обнаруживаются отклонения, зеркала подстраиваются. Всего необходимо проверить 3000 параметров, которые определяются показаниями 6000 датчиков. Изначально были использованы стандартные библиотеки для умножения (синяя кривая на графике), однако желаемого быстродействия достичь не удалось. Алгоритмы были самыми эффективными, однако они не были оптимизированы под НРС-системы реального времени. Поэтому был разработан новый алгоритм умножения матрицы на вектор, при котором использовались следующие приемы.

1. Матрица итераций, обратная к которой используется для вычислений параметров механизма, меняется не часто. Следовательно, ее можно предварительно преобразовать так, чтобы она помещалась в кэш L1 и L2 и подходила для инструкций SSE.

Большие частоты не означают более высокую производительность Несколько последних лет компания AMD пыталась убедить OEMпроизводителей, производителей ПК и потребителей в том, что частота — не тот параметр, который годится для оценки производительности ЦП для ПК. В статье на конкретных примерах показано, как за счёт усовершенствования архитектуры повысить производительность системы, не увеличивая тактовую частоту процессора. Статья представляет собой перевод [1].

Микроконтроллеры и DSP

70

В действительности, процессоры с высокими тактовыми частотами потребляют намного больше энергии из-за того, что рассеивание мощности растёт быстрее рабочей частоты. Все основные поставщики ЦП для ПК в настоящее время предлагают многоядерные процессоры, работающие на более низких тактовых частотах, чем предыдущее поколение одноядерных процессоров. Тот же аргумент справедлив и для встраиваемых процессоров. На самом деле, он более важен для встраиваемых систем (например, для портативных устройств), для которых предусмотрено весьма скромное энергопотребление, т.к. более продолжительный срок эксплуатации аккумуляторов является важным маркетинговым преимуществом. Эти соображения действуют и в отношении непортативных устройств, т.к. потребителям не нравится шум, производимый охлаждающими вентиляторами в приставках к телевизорам или в плоскопанельных ТВ-приёмниках, а ИТ-менеджерам требуются маршрутизаторы и коммутаторы с пониженным расходом электроэнергии, чтобы уменьшить общее потребление ВЦ. Из этих соображений разработчики СнК пытаются повысить производительность системы, не увеличивая тактовую частоту. Потребители желают, чтобы устройства имели высокую производительность, а батареи — больший срок службы

Системные разработчики должны постоянно пополнять встраиваемые решения всё большим числом функций. В первую очередь это относится к портативным бытовым устройствам, чтобы сохранить их маркетинговую привлекательность на постоянно меняющемся рынке. Эти новые функции облегчают возможность прослушивания музыки, просмотра видеофильмов, работы с электронной почтой и даже чтения документов на переносных медиа-

www.elcp.ru

плеерах, мобильных телефонах и КПК. Новые функции увеличивают требования к вычислительным ресурсам приложений и мультимедийных чипсетов. В течение ряда лет поставщики процессорных RISC-ядер со стандартной системой набора команд ISA (Instruction Set Architecture) отвечали на растущие вычислительные потребности, создавая процессоры с более глубокой конвейерной обработкой, работающими на более высоких частотах. Этот «метод грубой силы» по увеличению производительности процессора позволил создать ядра с тактовыми частотами, которые за последние пять лет выросли быстрее, чем за то же время усовершенствовалась лежащая в их основе технология. В то время как процессоры с более высокими тактовыми скоростями полностью отвечают требованиям по MIPS для приложений общего назначения, эти процессоры не в состоянии решить задачи DSPприложений по обработке, например, мультимедийных данных и в основной полосе радиочастот, поскольку DSP, как правило, не работают со смесью сигналов быстрого SRAM-кэша и медленной DRAM-памяти большого объёма так, как это делают процессоры общего назначения. Высокие тактовые скорости также влекут за собой большое количество недостатков, к числу которых относятся высокая рабочая мощность, большая площадь кристалла и во многих случаях — худшая суммарная производительность, о чём мы поговорим ниже. Проблема с более длинными конвейерами и повышенными тактовыми частотами

Для увеличения тактовых скоростей стандартным RISC-процессорам требуются более глубокие конвейеры. Большее число этапов обработки в таких конвейерах упрощает логику на каждом этапе и таким образом увеличивает его скорость, позволяя полу-

чить более высокую тактовую частоту процессора. Однако конвейеры с более глубокой обработкой имеют следующие серьёзные недостатки: – очень большие задержки из-за отсрочки ветвления и ошибочного прогнозирования ветви; – большой объем памяти, требуемый для пересылки данных и управления логикой, необходимой для более глубокой обработки; – дополнительные дорогостоящие блоки, например блоки предсказания ветвления для снижения задержек. Эти недостатки снижают эффективность использования архитектуры. Ухудшение производительности из-за всех этих факторов снижает выигрыш от работы на более высоких тактовых частотах. Однако самый большой недостаток глубоких конвейеров и работы на более высоких тактовых частотах в том, что энергопотребление процессорного ядра значительно возрастает. В лучшем случае рассеиваемая мощность возрастает пропорционально частоте. На практике перерасход ресурсов памяти при использовании глубокой конвейерной обработки ещё больше увеличивает расходы энергии. Взаимосвязь между тактовой частотой и рассеиванием мощности носит нелинейный характер — второй показатель растёт быстрее первого. Глубокая конвейерная обработка, удовлетворяя более строгим требования к вычислительным ресурсам, снижает срок эксплуатации батарей, а эта характеристика является ключевой для потребителей, приобретающих медиаплееры, мобильные телефоны и КПК. Таким образом, вопрос энергопотребления является самым важным для разработчиков при проектировании СнК наряду с её площадью и производительностью. Увеличение рабочей частоты встраиваемого процессора для повышения производительности системы более не

является правильной стратегией разработки. Из-за высоких тактовых частот процессор потребляет слишком много энергии и вынуждает использовать более быструю и ёмкую кэш-память SRAM, что также приводит к увеличению энергорасходов. Возникает закономерный вопрос: можно ли увеличить производительность встраиваемых процессоров, не повышая тактовую частоту? Высокая производительность без повышения частоты

Рис. 1. Сравнение ядра Diamond 570T компании Tensilica с ARM11 и MIPS 24K с помощью комплекта EEMBC. Обратите внимание, что MIPS 20K — процессор с попарно запускаемыми командами и, следовательно, у него более высокая производительность, чем у ядра MIPS 24K

лее часто используются во встраиваемых СнК, позволяют сравнить параметры различных процессорных ядер. Из рисунка 1 видно, что процессор с ядром Diamond 570T превосходит по параметрам такие ядра как ARM11 и MIPS 24K. Архитектура VLIW позволяет выполнять более одной операции на инструкцию (несколько операций на цикл). Таким образом, VLIW-процессор с ядром Diamond 570T, исполняющий три инструкции за такт, выполняет три операции на инструкцию и повышает производительность приложения, исполняя большее количество инструкций за цикл, чем классический RISC-конвейер. В результате в идеальном случае этот процессор может обеспечить в три раза большую производительность, чем RISC-процессор, исполняющий одну нструкцию за такт. (В DSP также используется архитектура VLIW для повышения производительности. Например, компания Texas Instruments применяет эту архитектуру в семействе DSP C6x, которое отличается самой высокой производительностью).

Diamond 570T — ядро встраиваемого процессора с самой высокой производительностью

Diamond Standard 570T — RISCпроцессор с пятиэтапным конвейером с системой набора команд Xtensa ISA (Xtensa Instruction Set Architecture (ISA) Reference Manual) и усовершенствованной архитектурой VLIW. Система Xtensa ISA использует 16- и 24-разрядные инструкции при лучшей в своём классе плотности кода, что позволяет минимизировать размер и стоимость памяти для хранения команд.

VLIW-операции ядра Diamond 570T кодируются в 64-разрядные инструкции. Однако в отличие от других VLIW-

архитектур, процессор Diamond 570T избегает избыточного кода VLIW путём не зависящего от режима выполнения любой смеси 64-, 24- и 16-разрядных инструкций. Компилятор ядра процессора Diamond 570T автоматически выбирает инструкцию соответствующего размера, чтобы свести к минимуму объём кода и максимально увеличить производительность. Инструментальные средства разработки программного обеспечения для ядра процессора Diamond 570T включают компилятор Xtensa C/C++ Compiler (XCC), а также полный набор средств на основе OC GNU, включая отладчик, профилировщик, ассемблер и компоновщик. XCC представляет собой усовершенствованный, оптимизированный компилятор, который автоматически определяет параллельно исполняемые команды на уровне инструкций из исходного кода C/C++ и автоматически связывает параллельные операции в VLIW-инструкции, если это возможно. В средства разработки также входит сложный имитатор ISS (cycle-accurate instruction-set simulator — программа, в точности моделирующая поведение целевого процессора); быстрый симулятор TurboXim и модели системы (на основе языков SystemC и С) для простого и быстрого моделирования процессора и системы на его основе. Более высокая производительность без использования дополнительного объёма памяти позволяет снизить энергопотребление

Несмотря на то, что процессорное ядро Diamond 570T, выполняющее три инструкции за такт, является суперскалярным устройством статического типа, оно занимает намного меньшую площадь, чем процессорные ядра, работающие на более высоких часто-

электронные компоненты №6 2009

71 Микроконтроллеры и DSP

Если коллектив разработчиков знает, какие приложения будут запускаться на встраиваемом процессоре, его можно оптимизировать таким образом, чтобы повысить производительность, не увеличив тактовую частоту. В некоторых случаях можно повысить производительность на один-два порядка, вовсе не изменяя частоту. Оптимизированный под конкретное применение процессор с помощью параллельности инструкции и данных этого приложения способен значительно ускорить выполнение задачи. Оптимизация заключается в использовании автоматизированных средств настройки процессора с усовершенствованной и расширяемой конфигурацией, как например в случае процессора Xtensa компании Tensilica. Для оптимизации не требуется прибегать к услугам по проектированию процессоров — автоматизированные инструменты позволяют разработчикам программно-аппаратных средств создать оптимизированные под приложение процессоры. Если встраиваемый процессор должен выполнять стандартный набор приложений, неизвестных на момент разработки, одной из альтернатив повышения производительности процессора остаётся увеличение его тактовой частоты. Например, процессор с архитектурой VLIW (Very Long Instruction Word — архитектура с командными словами очень большой длины) позволяет создать решение с высокой производительностью при относительно невысоких тактовых частотах. VLIW-процессор с ядром Diamond 570T компании Tensilica, исполняющий три инструкции за такт, достиг максимальной производительности при сравнительном тестировании встраиваемых процессоров с помощью средств консорциума EEMBC даже на частоте 200…250 МГц. Ядро Diamond 570T показало лучший результат по сравнению с процессорными ядрами, выполняющими одну инструкцию за такт и работающими на вдвое быстрой тактовой частоте. Комплекты EEMBC, оснащённые рядом приложений, которые наибо-

тах. Это ещё одно преимущество VLIWархитектуры, позволяющей увеличить производительность за счёт параллельного выполнения инструкций, а не более глубокой конвейерной обработки и высоких тактовых частот, как это происходит при использовании 8- или 9-этапных RISC-ядер. На рисунке 2 сравнивается занимаемая на кристалле площадь и энергопотребление ядер ARM11, MIPS 24K и Diamond 570T, изготовленных по технологии 130 нм. Процессор Diamond 570T примерно на 50% меньше двух других, но при этом он обеспечивает в среднем в 2,5 раза более высокую производительность по сравнению с ARM11 и почти в 2,2 раза большую производительность, чем MIPS 24K, как показали результаты сравнительного теста EEMBC. Преимущество меньшего размера процессора Diamond 570T отразилось также на меньшем соотношении Вт/МГц и меньшей рабочей мощности. Процессор Diamond 570T рассеивает около 1/6 мощности ARM11 или MIPS 24K, обладая в то же время намного большей производительностью. Заключение

Наиболее важными количественными показателями при выборе

Микроконтроллеры и DSP

72

Рис. 2. Сравнение между занимаемыми площадями кристалла и рассеиваемой активной мощностью ядер ARM11, MIPS 24K и Diamond 570T, реализованных по технологии 0,13 мкм. Значения площади и рассеиваемой мощности для процессоров ARM и MIPS приводятся в соответствии с опубликованными данными на вебсайтах компаний (MIPS не привела данные для 90-нм процессора); март 2007 г.

процессорного ядра для СнК являются его площадь, производительность, мощность и цена. Расхожие представления увязывают рост производительности с увеличением тактовой частоты. На примере процессорного ядра Diamond 570T мы увидели, что большей производительности можно достичь за счёт параллелизма при более низких тактовых частотах и рабочей мощности, а также при меньшей площади кристалла. Желание потребителей иметь нешумящие устройства с большим сроком службы батарей приводит к тому, что энергопотребление являет-

ся для разработчика главным показателем при выборе процессорного ядра для СнК. В результате в системах используются процессоры, приспособленные под нужды конкретного приложения. К числу таких устройств относится настраиваемый процессор Xtensa компании Tensilica, а также процессоры общего применения, например Diamond 570T, которые обеспечивают более высокую производительность при меньших тактовых частотах. Литература 1. Tensilica White Paper, October 24, 2008// www.tensilica.com

События рынка

| Томская инновационная компания разработала уникальную ОС для электронных систем управления электродвигателями | Томское предприятие «НПФ Мехатроника-Про» представит на XII инновационном форуме с международным участием в Томске новую уникальную операционную среду (ОС) для электронных систем управления электродвигателями и робототехническими комплексами. «Ноу-хау компании позволяет быстро создавать и модернизировать программные продукты для систем управления электродвигателями, а также снизить их себестоимость и привести к более широкому распространению робототехнических систем», — сообщил агентству технический директор ООО «НПФ Мехатроника-Про» Александр Каракулов. По его словам, примерно половина выпускаемых в мире электродвигателей оснащается электронными системами управления на основе чипов, которые не поддаются перепрограммированию. «Инновационная разработка «НПФ Мехатроника-Про» открывает перед производителями электродвигателей новые возможности», — сказал технический директор. «Наделение электродвигателей «внутренним интеллектом», — уточнил он, — позволяет объединить их в систему для решения все более сложных задач». «Один двигатель позволяет машине провести прямую, два — нарисовать круг, а три — выточить винт», — сказал А. Каракулов. Также он отметил, что «НПФ Мехатроника-Про» намерена продавать лицензии на свой продукт известным компаниям-производителям чипов мирового уровня. «К 2012 г. компания планирует реализовать порядка 4 млн лицензий на свое ноу-хау», — сказал А. Каракулов. Он добавил, что томская технология «позволяет сократить время разработки программного обеспечения для систем управления электродвигателями с 1 года до 1 месяца, притом что это сможет делать группа из двух человек, а не 10—15 программистов, как в настоящее время». Как сообщил Николай Бадулин, генеральный директор ОАО ИУК «ФиБр», оказывающего разработчику услуги бизнес-консультирования, данная технология может привести к удешевлению производства электродвигателей с электронными системами управления в несколько раз. Планируется, что ООО «НПФ Мехатроника-Про» представит свой продукт на XII Инновационном форуме с международным участием. Ранее сообщалось, что ООО «НПФ Мехатроника-Про» является одной из четырех томских компаний, вышедших в финал Российского технологического тура (РТТ). Томский этап РТТ проводится 25 сентября в рамках XII Инновационного форума с международным участием.

www.russianelectronics.ru

www.elcp.ru

Stratix IV против Virtex-5. Точка не поставлена Екатерина Самкова, ИД «Электроника» При разработке приложения перед специалистами часто встает задача выбора ПЛИС того или иного производителя. В статье рассмотрены технические особенности ПЛИС Stratix IV и Virtex-5. Описаны результаты сравнения этих двух семейств, полученные компаниями Altera и Xilinx.

Архитектура Stratix IV

Адаптивный логический модуль (АЛМ) состоит из комбинационной логической схемы, двух сумматоров и двух регистров (см. рис. 1). Комбинационная логическая схема имеет восемь входов и содержит таблицу перекодировки (Look-up table — LUT), на которой можно реализовать некоторые функции с 7 переменными, произвольную функцию с 6 переменными либо различные комбинации из 2 функций, имеющих в совокупности не более 8 независимых переменных. Для снижения потребляемой мощности в Stratix IV применяется хорошо зарекомендовавшая себя в предыдущем семействе технология программируемого энергопотребления (Programmable Power Technology). Суть ее заключается в том, что потребление всех блоков ПЛИС подбирается индивидуально. Всего предусмотрено два режима: с высокой производительностью и с пониженным энергопотреблением. Если блок не задействован или его назначение не требует высокого быстродействия, то он переводится в экономичный режим. Таким образом, в высокоскоростном режиме работают только критичные ко времени моду-

ли ПЛИС. Выбор оптимального режима функционирования производится автоматически с помощью соответствующего инструмента в среде Quartus II. Память TriMatrix и блок DSP

Встроенный модуль памяти имеет уже традиционную для линии Stratix архитекутуру TriMatrix, сочетающую три вида памяти: – блоки MLAB емкостью 640 бит, предназначенные для реализации сдви­говых регистров и буферов; – блоки памяти общего назначения M9K емкостью 9 Кбит; – блоки M144K емкостью 144 Кбит для хранения кода программ, буферов большого размера и т.д. Блоки MLAB можно располагать в любой части ПЛИС. Все модули памяти оптимизированы для обеспечения максимальной эффективности. Блоки DSP полностью оптимизированы для работы с максимальным быстродействием на частоте 550 МГц. Каждый блок содержит 8 умножителей 18×18, а также регистры, сумматоры, в т.ч. с накоплением, и другие элементы, которые наиболее часто используются при обработке сигналов. Предусмотрена работа с данными, имеющими различную разрядность. Обзор Virtex-5

ПЛИС семейства Virtex-5 изготовлены по технологическим нормам 65 нм и содержат до 330 000 ЛЭ и до 18 Мбит внутренней оперативной памяти. Рабочая тактовая частота 550 МГц. Матрица Virtex-5 состоит из колонок стандартных элементов (структу-

ра ASMBL — Advanced Silicon Modular Block — усовершенствованные модульные блоки на основе кремния): логические ячейки, умножители, процессоры DSP, модули памяти, приемопередатчики Ethernet и т.д. Программируемая логическая ячейка (Сonfigurable logic block — CLB) состоит из двух секций, каждая из которых содержит по четыре 6-входовых таблицы LUT и по 4 триггера (см. рис. 2). ПЛИС Virtex-5 имеют необычную сеть межсоединений — помимо прямоугольных связей предусмотрены также диагональные. За счет этого реализованные на Virtex-5 устройства имеют компактный размер, лучшее быстродействие и более простую трассировку. Семейство Virtex-5 объединяет в себе пять конфигураций ПЛИС, имеющих различное назначение: – Virtex-5 LX — для построения высокопроизводительных логических схем; – Virtex-5 LXT — для реализации скоростных последовательных интерфейсов; – Virtex-5 SXT — для выполнения задач цифровой обработки сигналов; – Virtex-5 FXT — для выполнения последовательных вычислений; – Virtex-5 TXT — для построения мощного сетевого/телекоммуникационного оборудования с интерфейсами 100G Ethernet.

73

Stratix IV против Virtex-5

Сравнивать ПЛИС различных производителей довольно затруднительно из-за разной архитектуры. Тем более

Рис. 1. Логическая ячейка Stratix IV

электронные компоненты №8 2009

ПЛИС и СБИС

Обзор Stratix IV

ПЛИС семейства Stratix IV содержат до 680 000 логических элементов (ЛЭ), более 22 Мбит внутренней оперативной памяти и более 1300 умножителей 18×18. В отличие от предыдущего поколения Stratix III, они изготовлены по технологическим нормам 40 нм и характеризуются более высоким быстродействием и малой потребляемой мощностью. Новым в семействе Stratix IV является поддержка до четырех IP-ядер, каждое из которых обеспечивает полную реализацию стека протоколов PCI Express. Ядро Stratix IV имеет такую же структуру, что и Stratix III. Оно состоит из логических блоков, называемых адаптивными логическими модулями (adaptive logic module — ALM), которые соединены по технологии MultiTrack. ПЛИС Stratix IV хорошо подходят для обработки изображений и видеопотоков, скоростной цифровой связи и других подобных применений.

Рис. 2. Логическая ячейка Virtex-5

Рис. 3. Структура межсоединений в Stratix IV (слева) и в Virtex-5 (справа)

ПЛИС и СБИС

74

что одно и то же семейство ПЛИС не может идеально подходить для любого проекта. В каждом конкретном случае следует рассматривать возможность применения различных платформ, чтобы найти оптимальное решение для данного приложения. С другой стороны, производители не могут не интересоваться достижениями конкурентов. Сравнивая свои семейства, компании Altera и Xilinx получили, как ни странно, разные результаты. Обе компании использовали для анализа набор разнотипных проектов, которые были реализованы на ПЛИС с использованием соответствующего ПО. В результате, в обоих исследованиях оказалось, что семейство Stratix IV имеет преимущество в числе логических элементов перед Virtex-5, однако Altera оценила его в 1,8 раз, а Xilinx — в 1,2. Первой результаты исследования опубликовала компания Altera, а через пару месяцев появился «ответ» из Xilinx. Ячейка в Stratix IV имеет более гибкую структуру, но занимает больше площади на кристалле и, соответственно, дороже, чем ячейка в Virtex-5. Если же сравнивать аналогичные по параметрам модели, то ПЛИС Stratix IV содержат меньше ячеек, чем Virtex-5. Компания Altera рассматривала ячейку Virtex-5 как «пара LUT-триггер». Таблица 1. Сравнение возможностей трассировочных архитектур Stratix IV и Virtex-5 Количество шагов 1 2 3

Количество достижимых логических блоков Stratix IV Virtex-5 34 12 96 96 160 180

www.elcp.ru

В результате такого подхода было получено, что матрицы Stratix IV содержат в среднем в 1,8 раз больше ЛЭ, чем Virtex-5. Однако в Xilinx интерпретацию «пара LUTтриггер» считают некорректной. Триггер в ячейках Virtex-5 имеет собственные входы и может использоваться независимо от LUT. С другой стороны, синтезатор ISE считает задействованными все те ячейки, в которых использована хотя бы часть ресурсов, т.е. либо LUT, либо триггер. Среда ISE при построении устройства не рассматривает LUT и триггер как одно целое, а наоборот, разделяет эти элементы, чтобы облегчить трассировку и тем самым повысить скорость работы устройства. Рассматривая LUT и триггеры как единую пару, специалисты компании Xilinx получили в результате, что отношение числа логических элементов, реализованных с помощью АЛМ, к числу элементов, реализованных с помощью пары «LUT — триггер», в Virtex-5 составляет 1,84. Это согласуется с результатами, полученными компанией Altera. Поскольку в АЛМ Stratix IV выходной регистр не имеет собственных входов, то его правомерно включать в состав ячейки. Однако в случае ПЛИС Xilinx триггер может использоваться независимо от LUT, поэтому их следует рассматривать отдельно. Таким образом, Xilinx при сравнении ПЛИС опиралась на количество доступных LUT, не учитывая триггеры. Проблема в том, что среда Quartus II не выводит в отчет количество задействованных логических частей АЛМ. В связи с этим было решено считать использованные 6-входовые LUT в Virtex-5 и задействованные АЛМ Altera. Справедливости ради следует отметить, и компания Xilinx это подтверждает, что данный подход не совсем верен, учитывая, что логические

схемы в АЛМ не являются независимыми функциональными блоками. Один АЛМ содержит две адаптивные LUT, имеющие общие входы. По данным Xilinx, в каждом АЛМ используется в среднем всего 1,3 адаптивные LUT. Другими словами, эффективность АЛМ невелика. Если рассматривать использование таблиц перекодировки и триггеров в отдельности и сравнивать его с использованием АЛМ, то получается, что Stratix IV превосходит Virtex-5 в 1,2 раза. Однако при этом изготовленное на ПЛИС Virtex-5 устройство будет иметь меньший размер, что позволяет сохранить место на плате, уменьшить потребляемую мощность и стоимость. Отсюда выходит, что при одинаковой занимаемой площади ПЛИС Virtex-5 более эффективны. Еще один параметр, по которому можно сравнить эти два семейства — трассировочная архитектура. Имеется в виду организация связи между логическими блоками, которые объединяют несколько логических ячеек (см. рис. 3). Как мы уже говорили, логический блок в Virtex-5 состоит из 8 ячеек с LUT и триггером, а в Stratix IV это Logic Array Block (LAB), объединяющий 10 АЛМ. В таблице 1 представлено количество логических блоков, доступных в каждом семействе за 1, 2 и 3 шага трассировки. Видно, что семейство Virtex-5 уступает Stratix IV только в первой позиции, поэтому оно лучше подходит для реализации проектов большого размера. В свою очередь, ПЛИС Stratix IV лучше использовать в небольших проектах, когда необходимо высокое быстродействие и помехоустойчивость.

Virtex-6

Совсем недавно Xilinx анонсировала новое семейство Virtrex-6, которое пока не успело пройти сравнительных испытаний с продуктами Altera. По характеристикам Virtrex-6 ближе к Stratix IV, поэтому результат сравнения будет весьма интересным. ПЛИС Virtex-6 изготовлены по технологии 40 нм, имеют более высокое быстродействие и меньшее на 50% энергопотребление по сравнению с Virtex-5. Логическая емкость Virtrex-6 достигает 760 000 ЛЭ. Размер встроенной памяти достигает 38 Мбит. Это больше, чем в Stratix IV. Изменения коснулись и самой логической ячейки, которая теперь содержит LUT и два выходных триггера вместо одного. Литература 1. 40-nm FPGAs: Architecture and Perfor­ man­ce Comparison.

2. Virtex-5 Family Overview.

3. Virtex-6 Family Overview.

4. Advantages of the Virtex-5 FPGA 6-Input LUT Architecture.

Оптоэлектронные СВЧ-генераторы с рекордно низкими фазовыми шумами Валентин Кулешов, главный научный сотрудник, ООО «Радиокомп» В статье рассказывается об оптоэлектронных генераторах нового поколения американской компании OEwaves, которые позволяют генерировать колебания СВЧ-диапазона с беспрецедентно низкими уровнями фазовых шумов.

Рис. 1. Компактный оптоэлектронный генератор

Задача построения СВЧ-генераторов с предельно низкими фазовыми шумами представляется весьма актуальной. Каждое новое достижение в технологиях построения таких генераторов обеспечивает повышение скорости передачи информации в системах связи, улучшение качества радиолокационных систем, совершенствование измерительных приборов и систем испытания оборудования. Оптоэлектронные генераторы (ОЭГ) нового поколения, созданные компанией OEwaves (США), позволяют генерировать колебания СВЧ-диапазона с рекордно низкими фазовыми шумами. Генератор, реализованный в виде лабораторного стенда, обеспечивает выходное колебание на заданной частоте в пределах 8…12 ГГц с уровнем фазовых шумов −163 дБн/Гц при отстройке 10 кГц от несущей. Компания OEwaves разработала компактный ОЭГ — 114×150×24 мм (см. рис.1), который характеризуется не толь­ко исключительно низкими фазовыми шумами −145 дБн/Гц на частоте 10 ГГц при отстройке от несущей на 10 кГц (см. рис.2), но и низкой чувствительностью к вибрациям и ускорениям. На радиочастотном выходе обеспечивается колебание с заданной частотой в интервале 10…12 ГГц (определяется заказчиком). Кроме радиочастотного имеется оптический выход, на котором сформирована последовательность пикосекундных импульсов с той же частотой и исключительно низким уровнем флуктуаций фронтов (среднеквадратичное значение 8 . 10 −15 с при измерениях в полосе 100 Гц…1 МГц). Для повышения долговременной стабильности частоты колебаний в этом ОЭГ предусмотрена возможность его фазовой автоподстройки по внешнему сигналу. В основе построения ОЭГ лежит структурная схема (см. рис. 3), содержащая в кольце положительной обратной связи модулятор оптического излучения лазера, оптический элемент накопления энергии колебаний с очень высокой эквивалентной добротностью, демодулятор оптического излучения, усилители СВЧ-колебаний, СВЧ-фильтр для селекции рабочей моды и фазовращатель для коррекции условия баланса фаз. Такой генератор с волоконнооптической линией задержки в качестве накопительного элемента был описан и рассмотрен в работе [1], однако

практическая реализация генераторов с приведёнными выше характеристиками потребовала решения ряда проблем. Ключевые технические решения, позволившие создать ОЭГ подобного типа, защищены несколькими патентами. Более детальную информацию об описанных выше ге­не­ра­торах можно получить у официального представителя компании OEwaves в России — ООО «Радиокомп». ООО «Радиокомп» — официальный представитель/ дист­рибьютор в России компаний K&L Microwave, Dow Key Microwave, Coilcraft, Vectron International, Coaxial Com­ po­nents Corp. Accubeat, Acorde Technologies, Data Delay Devices.

Tел.: (495) 361-09-04; факс: (495) 925-10-64 www.radiocomp.net 111024, Москва, ул. Авиамоторная, д. 8, Научный центр Тел.:(495) 957-7745, 361-0904, 361-0416 Факс: (495) 925-1064 Литература 1. Yao X.S., Maleki L. Optoelectronic microwave oscillator//Journ.

Opt. Soc. Am. B. Vol.13, No.8, August, 1996. P. 1725—1735

75 Рис. 2. Спектральная плотность мощности фазовых шумов компактного ОЭГ на частоте 10 ГГц

Рис. 3. Структурная схема оптоэлектронного генератора

электронные компоненты №8 2009

Микросхема мультиплексора IZ320ROIC для тепловизионных камер ОЛЕГ ВАЙНИЛОВИЧ, начальник отдела, НТЦ «Белмикросистемы» ПЕТР ГАРДЕЙ, ведущий инженер, НТЦ «Белмикросистемы» ВАСИЛИЙ КУНЦЕВИЧ, главный конструктор, НТЦ «Белмикросистемы» АНДРЕЙ ЧЕРНОВ, инженер, НТЦ «Белмикросистемы» .

В статье рассматривается микросхема IZ320ROIC (аналог ISC9705), применяемая в качестве схемы обработки сигналов матрицы фотодиодов 320×256. В большинстве современных устройств формирования тепловизионного изображения применяются микросхемы матриц инфракрасных приемников, расположенных в фокальной плоскости оптической системы, которые соединены с кристаллом электронной схемы считывания сигналов от детекторов матрицы. Среди обширного семейства матричных ИК-приемников наибольшей чувствительностью обладают фотонные приемники, а также многоэлементные приемники на квантовых ямах. Предельно допустимая чувствительность определяется собственными генерационнорекомбинационными шумами, которые растут с температурой. Для уменьшения шумов и, следовательно, повышения чувствительности необходимо глубокое, до 40…90 К, охлаждение. Рассматриваемая в статье микросхема IZ320ROIC (см. рис. 1) позволяет применять детекторы на основе InSb (антимонид индия), InGaAs (арсенид индия галлия), MCT (теллурид ртути

Д ат ч и к и

76

Рис. 1. Структурная схема мультиплексора

www.elcp.ru

кадмия),а также QWIP (фотодиоды инфракрасного диапазона на квантовых ямах) в диапазоне рабочих температур 300...70 К. Микросхема IZ320ROIC представляет собой высокопроизводительную, 320×256 пикселов, ИС считывания с режимом фотографирования. Микросхема мультиплексора предназначена для считывания сигналов, поступающих с матрицы инфракрасных детекторов, которые преобразуют выходные сигналы и мультиплексируют их для дальнейшей обработки. Микросхема используется в приборах для генерирования термального изображения. IZ320ROIC является функциональным аналогом ISC 9705 фирмы Indigo. ИС мультиплексора имеет два рабочих режима: упрощенный по умолчанию и программируемый пользователем командный режим. Технические характеристики.

– Матрица 320×256 пикселов.

– Детекторы: InSb (антимонид

индия), InGaAs (арсенид индия галлия), MCT (теллурид ртути кадмия), QWIP (фотодиоды ИК-диапазона на квантовых ямах).

– Режим фотографирования.

– Полярность применяемых фотодиодов: P на N. – Управление режимом интегрирования: во время и после чтения.

– Выгрузка данных на 1, 2 или 4 выхода.

– Динамическое преобразование изображения: инвертирование (верхниз) и реверс (слева направо).

– Динамическое оконное считывание.

– Выбираемый дифференциальный выходной режим.

– ЦАП для управления смещением детектора и подстройкой мощности.

– Управление коэффициентом усиления 1...4.

– Сигнал «скачивания».

– Буферизованный выход температурного датчика.

– Формирование смещения для высоковольтных QWIP. – Подстройка мощности: работа с малой рассеиваемой мощностью и при высокоскоростном режиме с большей рассеиваемой мощностью.

– Работа в двух режимах: по умолчанию и конфигурируемый пользователем командный режим. Режим по умолчанию. Этот режим обеспечивает простой интерфейс с меньшим количеством внешней электроники и сниженным рассеиванием мощности для применений, где не требуется большая функциональность микросхемы или производительность. В режиме по умолчанию не используется последовательный регистр управления. В результате такие функциональные возможности как организация окон, инвертирование/реверс и высокоскоростная выгрузка данных не используются. Режим по умолчанию

Рис. 2. Цоколевка при работе в режиме по умолчанию

Рис. 3. Цоколевка при работе в командном режиме

нижней строки (ряд 0) в нижней части камеры. При выборе режима выгрузки на два выхода первый пиксел представляется на выходе OutA, второй — на выходе OutB. Максимальная скорость считывания всей матрицы на два выхода составляет 121 кадр в секунду. При выбо-

ре режима выгрузки четырех выходов первый пиксел представлен на OutA, второй — на OutB, третий — на OutC, четвертый — на OutD. Максимальная скорость считывания всей матрицы на четыре выхода составляет 207 кадров в секунду. На рисунке 4 представлена

Табл. 1. Характеристики постоянного тока Параметр

Мин.

Тип.

Макс.

Производительность 300K 6 Максимальная скорость считывания экрана 300K Режим на 4 вывода 207 Режим на 2 вывода 121 Режим на 1 вывод 66 Амплитуда выходного напряжения 2,5 3 3,5 Выходное напряжение низкого уровня 1,6 Выходное напряжение высокого уровня 4,6 Входная тактовая частота 5 Вход ЦАП смещения детектора на кристалле (балансный контур) Диапазон напряжений –100...400 –100...510 –100 до 650 Высоковольтная конфигурация 800 Низковольтная конфигурация 200 Количество битов ЦАП 7 Температурный датчик Напряжение на выходе температурного датчика 0,6 0,7 0,8 при 300K Напряжение на выходе температурного датчика 1,0 1,1 1,2 при 70K Напряжения питания VDETCOM 0 5,5 8,5 VPOS, VPOSOUT, VPD 5,3 5,5 5,7 Опорные входы и входы управляющего напряжения VREF, VOUTREF 1,5 1,6 1,7 VDET_ADJ 0 5,5 IMSTR_ADJ 0 3,0 5,0 VOS VREF VPOS Токи потребления VDETCOM <1 <1 VPOS 3,8 10 VPOSOUT 3,2 15 VPD 0,8 1 Логические входы Входное напряжение низкого уровня VND – 0,2 VND VND + 0,2 Входное напряжение высокого уровня VPD – 0,2 VPD VPD + 0,2 Рассеиваемая мощность При считывании на один вывод 30 При максимальной скорости считывания на четыре 120 выхода Время интеграции 5 Настраивается пользователем Tframe – Treset

Ед.

Mпикс. кадров/с кадров/с кадров/с В В В MГц мВ мВ мВ

В В В В В В В В мA мA мA мA В В Вт Вт мкс

электронные компоненты №8 2009

77 Д ат ч и к и

поддерживает работу с детекторами с высоким и низким обратным смещением с помощью специальной процедуры смещения. В режиме по умолчанию микросхема IZ320ROIC работает со следующей конфигурацией: – одиночный выход; – изменяемое усиление; – полное окно; – нормальный порядок сканирования; – отсутствие опорного выхода; – поддержка временного режима NTSC или PAL; – максимальная выходная скорость 6 MГц; – «скачивание». Цоколевка микросхемы при работе в режиме по умолчанию приведена на рисунке 2. Командный режим. При работе в командном режиме используется последовательный регистр управления и дополнительные функциональные возможности считывания. Для работы в этом режиме используется вывод DATA для загрузки данных в регистр управления. Установки в этом регистре определяют коэффициенты усиления, установку смещения детектора, управление смещением мощностью, смещение основного тока, установку «скачивания», выходной режим, размер, положение и перемещение окна, тестовый режим. При работе в командном режиме поддерживается частота основного тактирования до 5 MГц (10 MГц — скорость выдачи данных). Цоколевка микросхемы при работе в командном режиме приведена на рисунке 3. Выходные режимы. Микросхему IZ320ROIC можно сконфигурировать в командном режиме для выгрузки данных на один, два или четыре выхода. Для одиночного выходного режима все пикселы считываются через выход OutA. Максимальная скорость считывания всей матрицы на один выход составляет 66 кадров в секунду. При использовании режима множественных выходов пикселы назначаются определенному выходному каналу и считываются только через этот канал, независимо от перемещения изображения (инвертирование/реверс) и выбранного режима организации окон. Самый нижний левый пиксел определяется как пиксел (0, 0), и это означает расположение пиксела в нулевой строке и нулевом столбце матрицы. Пиксел (0, 0) является первым пикселом для считывания при использовании установок по умолчанию для инвертирования/реверса организации окон и режима повтора строки. Этот режим эксплуатации выбирается для нормальной «инвертирующей оптики». При этом типе оптики нормальное изображение растрового сканирования представляется путем размещения

Рис. 5. Временная диаграмма входных сигналов мультиплексора

Рис. 4. Организация окон Рис. 6. Временная диаграмма выходных сигналов мультиплексора

Табл. 2. Динамические параметры входных сигналов микросхемы Параметр

Обозн.

Мин.

Тип.

Макс.

Ед.

Длительность переднего фронта синхросигнала

Tr

10

нс

Длительность заднего фронта синхросигнала

Tf

10

нс

Период синхросигнала

Tcp

200

Длительность высокой полки

Thi

(Tcp/2)*0,98

(Tcp/2)*1,02

нс

(Tcp/2)*1,02

нс

Длительность низкой полки

Tlo

(Tcp/2)*0,98

Время установки сигнала FSYNC к CLK

Fs

15

Время удержания сигнала FSYNC к CLK

Fh

15

Ширина полки сигнала FSYNC

Fa

11,8

Время удержания сигнала LSYNC к FSYNC

Tld

Tcp/2

нс

мкс

Время установки сигнала LSYNC к CLK

Ls

15

нс

Время удержания сигнала LSYNC к CLK

Lh

15

нс

Ширина полки сигнала LSYNC

La

1

Время установки сигнала DATA к CLK

Ds

15

1

1

CLK нс

Время удержания сигнала DATA к CLK

Dh

15

нс

Табл. 3. Динамические параметры выходных сигналов микросхемы Параметр Наим. Мин. Тип. Макс. Ед. Время задержки контроля видеоданных от переднего фронта синхросигнала Tvr 60 80 нс Время задержки контроля видеоданных от заднего фронта синхросигнала Tvf 60 80 нс

Д ат ч и к и

78

работа микросхемы в четырехканальном режиме в различных вариантах организации окон. Работа схемы. Ток от детектора заряжает интегрирующую емкость ячейки (пиксела) в течение времени интеграции (см. табл. 1). Затем заряд с интегрирующей емкости перезаписывается в емкость хранения, а интегрирующая емкость обнуляется. При выборе строки для чтения выход ячейки коммутируется на шину столбца, и сигнал поступает на усилитель с управляемым коэффициентом усиления. Выходы столбцов мультиплексируются только на один выход (OUTA) в режиме по умолчанию. Динамические параметры входных и выходных сигналов микросхемы представлены в таблицах 2 и 3, на рисунках 5 и 6 — временные диаграммы входных и выходных сигналов мультиплексора, соответственно.

События рынка

| Российская оборонка получила свой ИТ-концерн | Концерн «Сириус», созданный в рамках госкорпорации «Ростехнологии», рассчитывает стать ведущим предприятием в области информационных систем для оборонной отрасли. Концерн был создан приказом госкорпорации «Ростехнологии» от 24 июня 2009 г. В него вошли 25 НИИ и предприятий, специализирующихся на производстве оборудования телерадиовещания, радиоэлектронных приборов различного назначения, вычислительной техники и ПО, рассказал Леонид Ухлинов, генеральный директор концерна. В мае 2009 г. Ухлинов покинул пост заместителя генерального директора МГТС, где руководил технической дирекцией и отвечал за работу автоматизированных и информационных систем. Цель концерна, по словам Ухлинова, стать ведущим предприятием в области создания специализированных АСУ и ИС, прежде всего оборонного назначения. Основными заказчиками Леонид Ухлинов считает Минобороны, другие силовые ведомства и Минпромторг. Однако круг заказчиков, по его мнению, будет непременно расширяться. Форма собственности у участников концерна сегодня неоднородна: 13 предприятий являются ФГУПами, а 12 — ОАО.

10 июля 2008 г. президент Дмитрий Медведев подписал указ №1052, в котором принял предложение правительства преобразовать 180 ФГУПов в ОАО и передать 100% их акций госкорпорации «Ростехнологии». По мнению Леонида Ухлинова, приватизация ФГУПов позволит полностью перейти на принципы корпоративного управления. Далее холдинг выстроит технологический цикл так, чтобы функции его участников не дублировались, а взаимодополнялись, порождая при этом синергетический эффект. В то же время Ухлинов признает, акционирование не решит всех проблем, т.к. часть предприятий находится в тяжелом положении. В настоящее время, по словам главы концерна, 80% его разработок — это оборонный заказ (элементы АСУ, акустические приборы, системы радионавигации и защищенной передачи данных), но через 2—3 года его доля должна упасть до 50%. Перспективы для гражданской продукции глава «Сириуса» определяет в сегментах цифрового ТВ, приборов и оборудования для телемедицины, систем автоматизации городского хозяйства и разработки ПО с открытым кодом. www.russianelectronics.ru

www.elcp.ru

79

электронные компоненты №8 2009

Высококачественный мониторинг линий электропередач с помощью многоканальных АЦП Колм Слеттери (Colm Slattery), инженер, Analog Devices В статье описывается построение мониторинга линий электропередач, приведены расчетные соотношения и структурная схема. Помимо этого рассмотрены основные компоненты системы и даны практические рекомендации. Статья представляет собой сокращенный вариант [2] Введение

Бурное развитие электроэнергетики привело к необходимости переоборудования существующих передающих и распределительных сетей и сооружения новых подстанций. Достижения в микропроцессорной технике и постоянный рост стоимости труда обслуживающего персонала подталкивают энергетические компании к разработке новых автоматизированных высоковольтных подстанций с интегрированными автоматическими системами высокой точности. Исходя из величины рабочего напряжения, можно выделить два типа подстанций: к высоковольтным подстанциям относят 500- и 330-кВ, некоторые 220-кВ, а также 220-кВ распределительные подстанции, тогда как 110- и 35-кВ относят к среднеили низковольтным подстанциям. Высоковольтные (передающие) подстанции являются отдельными сооружениями. А низковольтные (распределительные) подстанции представляют собой оборудование, размещаемое вну-

Измерите льные сре дс тва и сис темы

80

три зданий, в городах и предназначенное для питания больших нагрузок. Высокоразвитые технологии обработки сигналов позволили обеспечить в новом поколении систем точность 0,1%, тогда как до сих пор в подобных системах точность составляла 0,5%. Такие достижения стали возможны благодаря применению высококачественных многоканальных АЦП, которые обеспечивают требуемую разрешающую способность и частоту дискретизации. Архитектура системы

На рисунке 1 показаны формы сигналов типичной трёхфазной измерительной системы. В каждой фазе имеется пара трансформаторов: трансформатор тока (CT) и трансформатор напряжения (PT). В системе имеется три таких пары. Средний уровень мощности за короткий промежуток времени определяется путем выборки ряда отсчётов выходных сигналов от каждого трансформатора, выполнения дискретного преобразования Фурье (ДПФ) над полученными данными и

проведения необходимых арифметических действий. АЦП производит 32 набора отсчётов одновременно по трём каналам тока и трём каналам напряжения, при этом оцифрованные значения сигналов сохраняются в ОЗУ. Затем производится дискретное преобразование Фурье по всем шести каналам, и результаты представляются в комплексном виде, т.е. (A+jB). Амплитуда и фаза сигнала каждого из трансформаторов может быть вычислена следующим образом. Если (A + jB) и (С + jD) — комплексная запись сигналов с CT1 и PT1, то амплитуда (Mi) есть модуль, а фаза (Pi) — аргумент соответствующего комплексного числа: M1(CT1) = , P1(CT1) = arctg(B/A) = ψ, M2(PT1) =

,

P2(PT1) = arctg(D/C) = θ. Тогда активная мощность в фазе 1 (измеряемая с помощью пары трансформаторов PT1/CT1) составит: U1 = M1 . M2 cos(ψ – θ). Аналогично вычисляются мощности на парах PT2/CT2 (U2) и PT3/CT3 (U3). Суммарная средняя мощность составляет: U = U1+ U2 + U3.

Рис. 1. Сигналы в типичной 3-фазной системе

www.elcp.ru

В данном методе применяется алгоритм дискретного преобразования Фурье, что дает возможность определять мощность системы на одной выбранной частоте. Если же использовать алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ), то можно получить

данные о мощности гармоник и других частотных составляющих, что позволяет получать сведения о потерях в системе и об уровне нежелательный шумов. Требования к системе

Другие элементы схемы (после АЦП)

Структурная схема измерительной системы приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Измерительная схема для мониторинга линий электропередач

Несмотря на то, что АЦП, безусловно, является ключевым устройством в схеме, следует учитывать множество других факторов при разработке высококачест­в енной системы. Источники опорного напряжения и усилители сигнала на входе АЦП также влияют на качество системы. Для удаленного подключения может потребоваться гальваническая развязка линии передачи. Источник опорного напряжения для АЦП

В различных устройствах применяют либо встроенные источники опорного напряжения (ИОН), либо внешние. Выбор зависит от конкретных требований, предъявляемых к системе. Внешние источники напряжения используют, когда в одном устройстве имеется несколько АЦП, т.к. общий источник исключает возможность разброса опорного напряжения на различных АЦП. Для того чтобы система обеспечивала высокую точность в широком температурном диапазоне, необходимо использовать источники опорного напряжения с малым дрейфом. Для понимания значения дрейфа и выбора между внутренними и внешними ИОН можно привести следующие несложные расчеты.

16-разрядный АЦП с максимальным входным сигналом в 10 В обеспечивает разрешающую способность 152 мкВ. Максимальный температурный дрейф внутреннего ИОН AD7656 равен 25 ppm/°C (обычно дрейф составляет около 6 ppm/°C, 1 ppm = 10 –6). При изменении температуры на 50°C опорное напряжение может измениться на 1250 ppm, или на 12,5 мВ. В случаях, когда требуется температурная стабильность, лучше применять внешние ИОНы, такие как ADR421[1] с дрейфом не более 1 ppm/°C. Такой дрейф будет соответствовать изменению опорного напряжения всего на 0,5 мВ при аналогичном изменении температуры.

Связь с центральным контроллером

Подстанция обычно состоит из множества различных систем, которые нуждаются в подключении к удаленному общему системному контроллеру. Такое подключение обычно производится с обеспечением гальванической развязки. Привычные решения с использованием оптопар на основе свето- и фотодиодов сейчас заменяются на устройства гальванической развязки iCoupler на основе микротрансформаторов. По сравнению с обычными оптопарами, устройства iCoupler способны обеспечить в четыре раза более высокую скорость передачи цифровых данных, имеют в 50 раз меньшее энергопотребление, что означает малое рассеивание тепла; для них характерны высокая надежность и низкая цена. Кроме того, высокая степень интеграции упрощает компоновку и способствует экономии места на плате. Четырёхканальное устройство гальванической развязки цифрового сигнала ADuM1402 [1] обеспечивает скорость передачи до 100 Мбит/с и изоляцию при напряжении до 2,5 кВ. Для систем, в которых применяется интерфейс RS-485, создан интегрированный приёмопередатчик ADM2486 [1]. Он поддерживает скорость передачи данных до 20 Mбит/с и обеспечивает изоляцию при напряжении до 2,5 кВ. Обработка сигнала

При мониторинге линии электропередачи для выполнения сложных математических операций требуется процессор цифровой обработки сигналов. Идеально подходящим процессором для обеспечения DFT, FFT и других алгоритмов в подобных системах является процессор ADSP-BF531 Blackfin [1], обладающий высокой производительностью, малым энергопотреблением и низкой стоимостью. Процессор Blackfin представляет собой высокоинтегрированную систе-

электронные компоненты №8 2009

81 Измерите льные сре дс тва и сис темы

В системе может быть несколько сотен измерительных трансформаторов. Диапазон напряжений трансформаторов выбран таким образом, что выходное напряжение ±5 В (или ±10 В) соответствует напряжениям и токам силовой сети, с большим запасом превышающим максимальные значения рабочих токов и напряжений. Сигналы большей величины бывают редко и чаще всего говорят о сбое в работе системы. Для точных измерений таких небольших сигналов требуются АЦП с высокой разрешающей способностью и хорошим отношением сигнал/шум. Кроме того, обязательно необходима одновременная многоканальная оцифровка. На сегодняшний день доступны системы с 14-битным разрешением, например 4-канальный AD7865 [1] — это 14-битный АЦП, работающий с сигналами обеих полярностей и обеспечивающий отношение сигнал/шум 80 дБ. Однако существует потребность в более точных и быстродействующих многоканальных АЦП с 16-битным разрешением и скоростью оцифровки 10 тыс. отсчётов в секунду и выше. Для измерения 3-фазного тока и напряжения АЦП должен иметь возможность одновременной шестиканальной оцифровки и, кроме того, обладать большой величиной отношения сигнал/шум для измерения малых сигналов. В системах, где используется большое количество АЦП, также требуется низкое энергопотребление. Примером устройства, соответствующего всем этим требованиям, является преобразователь AD7656[1], выполненный по технологии iCMOS. Он содержит шесть малопотребляющих 16-битных АЦП последовательного приближения, обеспечивающих частоту отсчётов 250 кГц. Технология iCMOS сделала возможным производство широкого спектра высококачественных интегральных микросхем, предназначенных для применения в высоковольтных схемах. AD7656 обеспечивает отношение сигнал/шум в 86,6 дБ, что достаточно для измерения малых сигналов переменного тока с трансформаторов.

му на кристалле. В состав процессора входят контроллеры CAN 2.0B и TWI, два порта UART и порт SPI, два последовательных порта (SPORT), девять 32-битных таймеров общего назначения, из которых восемь поддерживают режим широтно-импульсной модуляции (ШИМ), часы реального времени, сторожевой таймер и параллельный периферийный интерфейс (PPI). Такая развитая периферия позволяет добиться совместимости с различными системами и интерфейсами. Процессоры семейства Blackfin ADSP-BF536 [1] и ADSP-BF537 [1] также оборудованы IEEE-совместимым интерфейсом 802.3 10/100 Ethernet MAC, который в настоящее время является стандартным для многих измерительных систем. Практическая разработка

При разработке печатных плат необходимо уделить особое внимание расположению АЦП и окружающих его элементов. Аналоговая и цифровая схемы должны быть разделены и размещены в разных частях платы. Необходимо наличие хотя бы одной поверхности заземления. Следует избегать проведения цифровых дорожек под АЦП, т.к. они могут наводить шумы в кристалле. АЦП должен находиться над аналоговой заземляющей поверхностью во избежание наводки шумов. Тактовые генераторы и другие устройства с

Измерите льные сре дс тва и сис темы

82

быстро переключающимися сигналами должны быть заэкранированы цифровой заземляющей шиной и находиться на достаточном удалении от аналоговых цепей устройства. Необходимо избегать пересечения цифровых и аналоговых сигнальных линий. Дорожки в разных, но близких слоях платы должны проходить под прямыми углами друг к другу, чтобы уменьшить эффект взаимного влияния. Дорожки питания АЦП должны быть максимально широкими для того, чтобы обеспечить низкое сопротивление и снизить амплитуду выбросов на линии питания. Важно обеспечить качественное соединение между выводами питания АЦП и линиями питания на плате. Для этого полезно использовать одно или несколько межслойных соединений для каждого вывода питания. Также важна хорошая развязка по питанию, поскольку она обеспечивает низкий импеданс источника питания и уменьшает амплитуду шумов линии питания. Параллельно подключаемые конденсаторы развязки, обычно ёмкос­ тью в 100 нФ и 10 мкФ, должны быть установлены на всех выводах питания, причем как можно ближе к этим выводам и соответствующим им выводам заземления. Заключение

Постоянно растущие мировые потребности в электроэнергии при-

водят к увеличению числа линий электропередач и, соответственно, числа подстанций. Все более необходимы автоматические системы мониторинга и контроля, и при этом требуется всё большее количество каналов измерения. При наличии множества АЦП в одном устройстве становятся всё более важными эффективность использования пространства на печатной плате, снижение энергопотребления и себестоимости системы. Высококлассные характеристики системы могут быть достигнуты за счёт использования качественных АЦП, таких как AD7656. Шесть каналов оцифровки, 16-разрядное разрешение, низкое энергопотребление, хорошее соотношение сигнал/шум и малые размеры — эти качества удовлетворяют всем требованиям для разработки следующего поколения систем контроля линий электропередач.

ЛИТЕРАТУРА 1. Информация с сайта Analog Devices Inc. 2. Высококачественный мониторинг линий электропередач с помощью много­ канальных АЦП//Сборник статей «Элек­ тронные системы и устройства на осно­ ве элементов компании Analog Devices», выпуск 2, ДГТУ, Махачкала, 2008.

События рынка

| Рынок полупроводников вошел в фазу восстановления после кризиса | Аналитики заявляют о том, что худшие времена для рынка полупроводников остались в прошлом, и теперь он уверенно движется к выходу из кризиса. По итогам II кв. 2009 г. в мире было продано полупроводников на сумму 51,7 млрд долл., что почти на 20% меньше в сравнении с аналогичным периодом прошлого года, сообщает DigiTimes со ссылкой на отраслевую аналитическую компанию Future Horizons. Для сравнения, в I кв. 2009 г. рынок сократился на 30% год к году. Проследив динамику, эксперты пришли к выводу о том, что рынок начал выходить из рецессии. Согласно прогнозу Future Horizons, по итогам всего 2009 г. продажи сократятся на 14% в сравнении с 2008 г. Параллельно с отчетом Future Horizons был выпущен отчет Semiconductor Industry Association (SIA), по данным которого объем продаж микросхем в июне составил 17,2 млрд долл., а в июле — 18,2 млрд долл. Согласно отчету SIA, рост выручки в июле в сравнении с июнем обусловлен повышением спроса на мобильные телефоны, смартфоны и персональные компьютеры, особенно нетбуки. При этом крупные предприятия по-прежнему воздерживаются от покупок, увеличивая жизненные циклы корпоративного оборудования. На днях прогноз рынка на 2009 г. в лучшую сторону изменила и Gartner. Согласно обновленным данным этой аналитической компании, в 2009 г. мировые продажи полупроводников достигнут 212 млрд. долл., что на 17,1% ниже прошлогоднего показателя. Ранее аналитики прогнозировали снижение на 22,4%. По словам эксперта, далеко не последнюю роль в этом росте сыграла активность каналов сбыта, которые сбавили цены на ЖК-телевизоры и ПК. В минувшую пятницу прогноз по продажам также в лучшую сторону изменил Intel, крупнейший в мире производитель полупроводниковых компонентов. В результате повышения спроса на микропроцессоры и чипсеты (по сравнению с предварительными прогнозами) ожидаемый доход компании по итогам III кв. 2009 г. был увеличен до 9 млрд долл. против ранее ожидавшихся 8,5 млрд. Первые признаки восстановления рынка появились в марте 2009 г., когда увеличились заказы тайваньских поставщиков чипов, включая крупнейшего игрока этого рынка — TSMC. По мнению аналитиков, о положительной динамике рынка полупроводников можно будет снова говорить уже в 2010 г. www.russianelectronics.ru

www.elcp.ru

Форматы сжатия данных Стивен Смит (Steven Smith), доктор философии, разработчик В статье рассматриваются основные методы сжатия данных, приводится классификация наиболее известных алгоритмов, и на простых примерах обсуждаются механизмы работы методов CS&Q, RLE-кодирования, Хаффмана, LZW, дельта-кодирования, JPEG и MPEG. Статья представляет собой авторизованный перевод [1].

Методы сжатия данных

В таблице 1 показаны два разных способа распределения алгоритмов сжатия по категориям. К категории (а) относятся методы, определяемые как процедуры сжатия без потерь и с Табл. 1. Классификация методов сжатия: без потерь и с потерями Без потерь

С потерями

RLE-кодирование

CS&Q

Код Хаффмана

JPEG

Дельта-кодирование

MPEG

LZW

потерями. При использовании метода сжатия без потерь восстановленные данные идентичны исходным. Этот метод применяется для обработки многих типов данных, например для исполняемого кода, текстовых файлов, табличных данных и т.д. При этом не допускается потеря ни одного бита информации. В то же время файлы данных, представляющие изображения и другие полученные сигналы, нет необходимости хранить и передавать без потерь. Любой электрический сигнал содержит шум. Если изменения в этих сигналах схожи с небольшим количеством дополнительного шума, вреда не наносится. Алгоритм, применение которого приводит к некоторому ухудшение параметров сигнала, называется сжатием с потерями. Методы сжатия с потерями намного эффективнее методов кодирования без потерь. Чем выше коэффициент сжатия, тем больше шума добавляется в данные. Передаваемые по интернету изображения служат наглядным примером того, почему необходимо сжатие данных. Предположим, что требуется загрузить из интернета цифровую цветную фотографию с помощью 33,6-Кбит/с модема. Если изображение не сжато (например, это файл TIFFформата), его объем составит около 600 Кбайт. При сжатии фото без потерь (в файл GIF-формата) его размер уменьшится примерно до 300 Кбайт. Метод сжатия с потерями (JPEGформат) позволит уменьшить размер файла до 50 Кбайт. Время загрузки этих трех файлов составляет 142, 72 и 12 с, соответственно. Это большая разница.

JPEG идеально подходит для работы с цифровыми фотографиями, тогда как

GIF используется только для рисованных изображений. Второй способ классификации методов сжатия данных проиллюстрирован в таблице 2. Большинство программ сжатия работает с группами данных, которые берутся из исходного файла, сжимаются и записываются в выходной файл. Например, одним из таких методов является CS&Q (Coarser Sampling and Quantization — неточные выборка и дискретизация). Предположим, что сжимается цифровой сигнал, например звуковой сигнал, который оцифрован с разрядностью 12 бит. Можно прочесть две смежные выборки из исходного файла (24 бит), отбросить одну выборку полностью, отбросить наименее значащие 4 бита из другой выборки, затем записать оставшиеся 8 битов в выходной файл. При 24 входных битах и 8 выходных коэффициент сжатия алгоритма с потерями равен 3:1. Этот метод высокоэффективен при использовании сжатия с преобразованием, составляющего основу алгоритма JPEG. В методе CS&Q из входящего файла читается фиксированное число битов, и меньшее фиксированное число записывается в выходной файл. Другие методы сжатия позволяют создавать переменное число битов для чтения или записи. Причина того, почему в таблицу не вошли форматы JPEG и MPEG, в том, что это составные алгоритмы, в которых совмещено множество других методов. Файлы данных содержат одни и те же символы, повторяющиеся множество раз в одном ряду. Например, в текстовых файлах используются пробелы для разделения предложений, отступы, таблицы и т.д. Цифровые сигналы также

Табл. 2. Классификация методов сжатия: фиксированный и переменный размер группы Метод

83

RLE-кодирование

Размер группы входной

выходной

CS&Q

фиксированный

фиксированный

Код Хаффмана

фиксированный

переменный

Арифметический

переменный

переменный

RLE, LZW

переменный

фиксированный

электронные компоненты №8 2009

т е о р и я и п ра к т и к а

Передача данных и их хранение стоят определенных денег. Чем с большим количеством информации приходится иметь дело, тем дороже обходится ее хранение и передача. Зачастую данные хранятся в наиболее простом виде, например в коде ASCII (American Standard Code for Information Interchange — американский стандартный код для обмена информацией) текстового редактора, в исполняемом на компьютере двоичном коде, в отдельных файлах, полученных от систем сбора данных и т.д. Как правило, при использовании этих простых методов кодирования объем файлов данных примерно в два раза превышает действительно необходимый размер для представления информации. Ее сжатие с помощью алгоритмов и программ позволяет решить эту задачу. Программа сжатия используется для преобразования данных из простого формата в оптимизированный по компактности. Наоборот, программа распаковки возвращает данные в исходный вид. Мы обсудим шесть методов сжатия данных в этом разделе. Первые три из них являются простыми методами кодирования: кодирование длин серий с передачей информации об их начале и длительности; кодирование Хаффмана и дельта-кодирование. Последние три метода являются сложными процедурами сжатия данных, которые стали промышленными стандартами: LZW, форматы JPEG и MPEG.

Рис. 1. Пример RLE-кодирования

Рис. 2. Гистограмма значений ASCII фрагмента текста из этой статьи

содержат одинаковые величины, указывающие на то, что сигнал не претерпевает изменений. Например, изображение ночного неба может содержать длинные серии символов, представляющих темный фон, а цифровая музыка может иметь длинную серию нулей между песнями. RLE-кодирование (Run-length encoding — кодирование по длинам серий) представляет собой метод сжатия таких типов файлов. На рисунке 1 проиллюстрирован принцип этого кодирования для последовательности данных с частым повторением серии нулей. Всякий раз, когда

нуль встречается во входных данных, в выходной файл записываются два значения: нуль, указывающий на начало кодирования, и число нулей в серии. Если среднее значение длины серии больше двух, происходит сжатие. С другой стороны, множество одиночных нулей в данных может привести к тому, что кодированный файл окажется больше исходного. Входные данные можно рассматривать и как отдельные байты, или группы, например числа с плавающей запятой.

RLE-кодирование можно использовать только в случае одного знака (как в случае в нулем в примере выше), нескольких знаков или всех знаков. Кодирование Хаффмана

Этот метод был разработан Хаф­ фманом в 1950-х гг. Метод основан на использовании относительной частоты встречаемости индивидуальных элементов. Часто встречающиеся элементы кодируются более короткой последовательностью битов. На рисунке 2 представлена гистограмма байтовых величин большого файла ASCII. Более 96% этого файла состоит из 31 символа: Буква Вероятность Код Хаффмана A 0,154 1 B 0,110 01 C 0,072 0010 D 0,063 0011 E 0,059 0001 F 0,015 000010 G 0,011 000011

Рис. 3. Пример кодирования Хаффмана

т е о р и я и п ра к т и к а

84

Рис. 4. Пример дельта-кодирования

Рис. 5. Пример дельта-кодирования

www.elcp.ru

букв в нижнем регистре, пробела, запятой, точки и символа возврата каретки. Алгоритм, назначающий каждому из этих стандартных символов пятибитный двоичный код по схеме 00000 = a, 00001 = b, 00010 = c и т.д., позволяет 96% этого файла уменьшить на 5/8 объема. Последняя комбинация 11111 будет указывать на то, что передаваемый символ не входит в группу из 31 стандартного символа. Следующие восемь битов в этом файле указывают, что представляет собой символ в соотоветствии со стандартом присвоения ASCII. Итак, 4% символов во входном файле требуют для представления 5 + 8 = 13 бит. Принцип этого алгоритма заключается в присвоении часто употребляемым символам меньшего числа битов, а редко встречающимся символам — большего количества битов. В данном примере среднее число битов, требуемых из расчета на исходный символ, равно 0,96 . 5 + 0,04 . 13 = 5,32. Другими словами, суммарный коэффициент сжатия составляет 8 бит/5,32 бит, или 1,5 : 1. На рисунке 3 представлена упрощенная схема кодирования Хаффмана. В таблице кодирования указана вероятность употребления символов с A по G, имеющихся в исходной последовательности данных, и их соответствия. Коды переменной длины сортируются в стандартные восьмибитовые группы. При распаковке данных все группы выстраиваются в последовательность нулей и единиц, что позволяет разделять поток данных без помощи маркеров. Обрабатывая поток данных, программа распаковки формирует достоверный код, а затем переходит к следующему символу. Такой способ формирования кода обеспечивает однозначное чтение данных. Дельта-кодирование

Термин «дельта-кодирование» обозначает несколько методов сохранения или передачи данных в форме разности между последующими выборками (или символами), а не сохранение самих выборок. На рисунке 4 приводится пример работы этого механизма. Первое значение в кодируемом файле является совпадает с исходным. Все последующие значения в кодируемом файле равны разности между соответствующим и предыдущим значениями входного файла. Дельта-кодирование используется для сжатия данных, если значения исходного файла изменяются плавно, т.е. разность между следующими друг за другом величинами невелика. Это условие не выполняется для текста ASCII и исполняемого кода, но является общим случаем, когда информация поступает в виде сигнала. Например, на рисунке 5а показан фрагмент аудиосигнала,

Кодовое число 0000 0001 ...

0254 0255 0256 0257 ...

4095

Преобразование 0 1 ...

254 255 145 201 4 243 245 ... ххх ххх ххх

Рис. 6. Пример сжатия в соответствии с таблицей кодирования

оцифрованного с разрядностью 8 бит, причем все выборки принимают значения в диапазоне –127–127. На рисунке 5б представлен кодированный вариант этого сигнала, основное отличие которого от исходного сигнала заключается в меньшей амплитуде. Другими словами, дельта-кодирование увеличивает вероятность того, что каждое значение выборки находится вблизи нуля, а вероятность того, что оно значительно больше этой величины, невелика. С неравномерным распределением вероятности работает метод Хаффмана. Если исходный сигнал не меняется или меняется линейно, в результате дельта-кодирования появятся серии выборок с одинаковыми значениями, с которыми работает RLE-алгоритм. Таким образом, в стандартном методе сжатия файлов используется дельта-кодирование с последующим применением метода Хаффмана или RLE-кодирования. Механизм дельта-кодирования можно расширить до более полного метода под названием кодирование с линейным предсказанием (Linear Predictive Coding, LPC). Чтобы понять суть этого метода, представим, что уже были закодированы первые 99 выборок из входного сигнала и необходимо произвести выборку под номером 100. Мы задаемся вопросом о том, каково наиболее вероятное ее значение? В дельта-кодировании ответом на данный вопрос является предположение, что это значение предыдущей, 99-й выборки. Это ожидаемое значение используется как опорная величина при кодировании выборки 100. Таким образом, разность между значением выборки и ожиданием помещается в кодируемый файл. Метод LPC устанавливает наиболее вероятную величину на основе нескольких последних выборок. В используемых при этом алгоритмах применяется z-преобразование и другие математические методы.

всегда используется для обработки файлов изображения в формате GIF и предлагается в качестве опции для форматов TIFF и PostScript. Алгоритм LZW использует кодовую таблицу, пример которой представлен на рисунке 6. Как правило, в таблице указываются 4096 элементов. При этом кодированные LZW-данные полностью состоят из 12-битных кодов, каждый из которых соответствует одному табличному элементу. Распаковка выполняется путем извлечения каждого кода из сжатого файла и его преобразования с помощью таблицы. Табличные коды 0—255 всегда назначаются единичным байтам входного файла (стандартному набору символов). Например, если используются только эти первые 256 кодов, каждый байт исходного файла преобразуется в 12 бит сжатого LZW-файла, который на 50% больше исходного. При распаковке этот 12-битный код преобразуется с помощью кодовой таблицы в единичные байты. Метод LZW сжимает данные с помощью кодов 256—4095, представляя последовательности байтов. Например, код 523 может представлять последовательность из трех байтов: 231 124 234. Всякий раз, когда алгоритм сжатия обнаруживает последовательность во входном файле, в кодируемый файл ставится код 523. При распаковке код 523 преобразуется с помощью таблицы в исходную последовательность из трех байтов. Чем длиннее последовательность, назначаемая единичному коду и чем чаще она повторяется, тем больше коэффициент сжатия. Существуют два основных препятствия при использовании этого метода сжатия: 1) как определить, какие последовательности должны указываться в кодовой таблице и 2) как обеспечить программу распаковки той же таблицей, которую использует программа сжатия. Алгоритм LZW позволяет решить эти задачи. Когда программа LZW начинает кодировать файл, таблица содержит лишь первые 256 элементов — остальная ее часть пуста. Это значит, что первые коды, поступающие в сжимаемый файл, представляют собой единичные байты исходного файла, преобразуемые в 12-бит группы. По мере продолжения кодирования LZW-алгоритм определяет повторяющиеся последовательности данных и добавляет их в кодовую таблицу. Сжатие начинается, когда последовательность обнаруживается вторично. Суть метода в том, что последовательность из входящего файла не добавляется в кодовую таблицу, если она уже была помещена в сжатый файл как отдельный символ (коды 0—255). Это важное условие, поскольку оно позволяет программе распаковки восстановить кодовую таблицу непосредственно из сжатых данных, не нуждаясь в ее отдельной передаче.

JPEG

Из множества алгоритмов сжатия с потерями кодирование с преобразованием оказалось наиболее востребо-

85 т е о р и я и п ра к т и к а

Уникальный код

Идентичный код

Пример кодовой таблицы

Алгоритм LZW

LZW-сжатие — наиболее универсальный метод сжатия данных, получивший распространение благодаря своей простоте и гибкости. Этот алгоритм назван по имени его создателей (Lempel-Ziv-Welch encoding — сжатие данных методом Лемпела-Зива-Велча). Исходный метод сжатия Lempel-Ziv был впервые заявлен в 1977 г., а усовершенствованный Велчем вариант — в 1984 г. Метод позволяет сжимать текст, исполняемый код и схожие файлы данных примерно вполовину. LZW также хорошо работает с избыточными данными, например табличными числами, компьютерным исходным текстом и принятыми сигналами. В этих случаях типичными значениями коэффициента сжатия являются 5:1. LZW-сжатие

электронные компоненты №8 2009

Рис. 7. Пример применения метода сжатия JPEG. Три группы 8×8, показанные в увеличенном виде, представляют значения отдельных пикселов

т е о р и я и п ра к т и к а

86

ванным. Наилучший пример такого метода — популярный стандарт JPEG (Joint Photographers Experts Group — Объединенная группа экспертов по машинной обработке фотографических изображений). Рассмотрим на примере JPEG работу алгоритма сжатия с потерями. Мы уже обсудили простейший метод сжатия с потерями CS&Q, в котором уменьшается количество битов на выборку или полностью отбрасываются некоторые выборки. Оба этих приема позволяют достичь желаемого результата — файл становится меньше за счет ухудшения качества сигнала. Понятно, что эти простые методы работают не самым лучшим образом. Сжатие с преобразованием основано на простом условии: в трансформированном сигнале (например, с помощью преобразования Фурье) полученные значения данных не несут прежней информационной нагрузки. В частности, низкочастотные компоненты сигнала начинают играть более важную роль, чем высокочастотные компоненты. Удаление 50% битов из высокочастотных компонентов может привести, например, к удалению лишь 5% закодированной информации. Из рисунка 7 видно, что JPEG-сжатие начинается путем разбиения изображения на группы размером 8×8 пикселов. Полный алгоритм JPEG работате с широким рядом битов на пиксел, включая информацию о цвете. В этом примере каж-

www.elcp.ru

дый пиксел является единичным байтом, градацией серого в диапазоне 0—255. Эти группы 8×8 пикселов обрабатываются при сжатии независимо друг от друга. Это значит, что каждая группа сначала представляется 64 байтами. Вслед за преобразованием и удалением данных каждая группа представляется, например, 2—20 байтами. При распаковке сжатого файла требуется такое же количество байтов для аппроксимации исходной группы 8×8. Эти аппроксимированные группы затем объединяются, воссоздавая несжатое изображение. Почему используются группы размерами 8×8, а не 16×16? Такое группирование было основано исходя из максимального возможного размера, с которым работали микросхемы на момент разработки стандарта. Для реализации методов сжатия было исследовано множество различных преобразований. Например, преобразование Karhunen-Loeve обеспечивает наиболее высокий коэффициент сжатия, но оно трудно осуществляется. Метод преобразования Фурье реализуется гораздо проще, но он не обеспечивает достаточно хорошего сжатия. В конце концов, выбор был сделан в пользу разновидности метода Фурье — дискретного косинусного преобразования (Discrete Cosine Transform — DCT). На примере работы алгоритма JPEG видно, как несколько схем сжатия объединяются, обеспечивая большую эффективность. Вся процедура сжатия JPEG состоит из следующих этапов: – изображение разбивается на группы 8×8; – каждая группа преобразуется с помощью преобразования DCT; – каждый спектральный элемент 8×8 сжимается путем сокращения числа битов и удаления некоторых компонентов с помощью таблицы квантования; – видоизмененный спектр преобразуется из массива 8×8 в линейную последовательность, все высокочастотные компоненты которой помещаются в ее конец; – серии нулей сжимаются с помощью метода RLE; – последовательность кодируется либо методом Хаффмана, либо арифметическим методом для получения сжатого файла.

MPEG

MPEG (Moving Pictures Experts Group — Экспертная группа по кинематографии) — стандарт сжатия цифровых видеоданных. Этот алгоритм обеспечивает также сжатие звуковой дорожки к видеофильму. MPEG представляет собой еще более сложный, чем JPEG, стандарт с огромным потенциалом. Можно сказать, это ключевая технология XXI века. У MPEG имеется несколько очень важных особенностей. Так например, он позволяет воспроизводить видеофильм в прямом и обратном направлениях, в режиме нормальной и повышенной скорости. К кодированной информации имеется прямой доступ, т.е. каждый отдельный кадр последовательности отображается как неподвижное изображение. Таким образом, фильм редактируется — можно кодировать его короткие фрагменты, не используя всю последовательность в качестве опорной. MPEG также устойчив к ошибкам, что позволяет избегать цифровых ошибок, приводящих к нежелательному прерыванию воспроизведения. Используемый в этом стандарте метод можно классифицировать по двум типам сжатия: внутрикадровое и межкадровое. При сжатии по первому типу отдельные кадры, составляющие видеопоследовательность, кодируются так, как если бы они были неподвижными изображениями. Такое сжатие выполняется с помощью JPEG-стандарта с несколькими вариациями. В терминологии MPEG кадр, закодированный таким образом, называется внутрикодированным, или I-picture. Наибольшая часть пикселов в видеопоследовательности изменяется незначительно от кадра к кадру. Если

щении объектов в последовательности изображений. Существуют также двунаправленные предик тивнокодированные изображения, или B-pictures. Эти видеокадры формируются способом предсказания «вперед» и «назад» на основе I-picture. При этом обрабатываются участки изображения, которые постепенно меняются на протяжении множества кадров. Отдельные кадры также хранятся без соблюдения последовательности в сжатых данных, чтобы облегчить упорядочение изображений I-, P- и B-pictures. Наличие цвета и звука еще больше усложняет реализацию этого алгоритма. Наибольшее искажение при использовании формата MPEG наблюдается при быстром изменении больших частей изображения. Для поддержа-

ния воспроизведения с быстро меняющимися сценами на должном уровне требуется значительный объем информации. Если скорость передачи данных ограничена, зритель в этом случае видит ступенчатообразные искажения при смене сцен. Эти искажения сводятся к минимуму в сетях с одновременной передачей данных по нескольким видеоканалам, например в сети кабельного телевидения. Внезапное увеличение объема данных, требуемое для поддержки быстро меняющейся сцены в видеоканале, компенсируется относительно статическими изображениями, передаваемыми по другим каналам. Литература 1. Steven W. Smith, Data compression tutorial Part 1, Part 2, and Part 3.

События рынка

| Skype в России запрещать не будут | Российские власти не планируют закрывать популярного оператора IP-телефонии Skype, сообщило агентство РИА «Новости» со ссылкой на главу Минкомсвязи РФ Игоря Щеголева. На заседании Российского союза промышленников и предпринимателей было предложено установить контроль над этим рынком. Щеголев отметил, что Skype, как и IP-телефония, — это сервисы на основе динамично развивающейся технологии, и стоит вопрос о регулировании применения таких технологий. Министр также сообщил, что при введении русскоязычного домена .рф будут приняты меры против захвата доменных имен в форме известных торговых марок. В процессе внедрения этого домена будет отведено время для того, чтобы соответствующие доменные номера были зарегистрированы владельцами торговых марок. www.russianelectronics.ru

электронные компоненты №8 2009

87 т е о р и я и п ра к т и к а

камера не движется, наибольшая часть изображения состоит из фона, который не меняется на протяжении некоторого количества кадров.

MPEG использует это обстоятельство, сжимая избыточную информацию между кадрами с помощью дельтакодирования. После сжатия одного из кадров в виде I-picture последующие кадры кодируются как изображения с предсказанием, или P-pictures, т.е. кодируются только изменившиеся пикселы, т.к. кадры I-picture включены в P-picture. Эти две схемы сжатия составляют основу MPEG, тогда как практическая реализация данного метода намного сложнее описанной. Например, кадры P-picture могут использовать изображение I-picture как опорное, которое претерпело изменение при переме-

Новые компоненты на российском рынке Датчики Барометр и термодатчик с цифровым интерфейсом в одном корпусе от компании Freescale Semiconductor

Микросхема MPL115A содержит встроенный датчик давления MEMS, датчик температуры, АЦП, а также блок цифрового интерфейса I²C или SPI. Во встроенном ПЗУ размещены данные по калибровке давления, которые считываются управляющим контроллером по цифровому интерфейсу для реализации алгоритмов температурной компенсации. Новый датчик давления предназначен для применения в барометрах, высотомерах, метеостанциях, накопителях на жестком диске, для управления охлаждающими вентиляторами, различными навигационными устройствами, индикаторами утечки разнообразных жидкостей и газов. Основные параметры MPL115A – диапазон измеряемых давлений: 50…115 кПа; – точность измерения: 1 кПа; – ток потребления: – в спящем режиме — 1 мкА; – в рабочем режиме — 5 мкА (при одном измерении в секунду); – напряжение питания — 2,4…5,5 В; – цифровой интерфейс: – SPI(MPL115A1), быстродействие до 8 МГц; – I²C(MPL115A2), быстродействие до 400 кГц; – рабочий диапазон температур: –40…85°С; – корпус LGA (3×5×1,2 мм).

Новые биполярные датчики Холла в микрокорпусах

Компания Honeywell представила две новые модели биполярных датчиков Холла, позволяющие снизить производственные затраты. Датчики обладают повышенной чувствительностью и позволяют использовать менее дорогостоящие и менее сильные магниты в различных устройствах. Контактная площадка датчика SS361RT занимает меньшую площадь на печатной плате, что снижает ее стоимость. Кроме того, SS361RT поставляется в ленте на катушке для автоматической установки компонента на печатную плату, что дополнительно удешевляет стоимость производства. Датчики разработаны для применения в различных промышленных системах, где необходимо определить скорость и частоту вращения, измерить скорость потока, определить положение клапанов и задвижек в транспорте на подъемниках, положение люков и дверей и т.д. Характерная особенность датчиков SS361RT и SS461R — низковольтное питание (от 3 В DC), и малый ток потребления, что позволяет применять их в устройствах с питанием от батарей. Основные технические характеристики биполярных датчиков Холла SS361RT/SS461R: Параметр Индукция вкл, Гс Индукция выкл, Гс Дифференциал индукции, Гс Время нарастания, мкс Время спада, мкс U пит., В I потр., мА I вых. макс., мА I утечки, мкА Рабочий диапазон температур, °С Диапазон температур хранения, °С Корпус

SS361RT

SS461R 50 –50 100 1,5 1,5

3,0…12

3,0…18 4 (макс. 8) 20 10

–40…150 –40…150 SOT-23

–40…150 –55…165 TO-92

Образцы для оценки возможности применения новых датчиков в аппаратуре можно заказать в любом офисе компании «Элтех».

Honeywell International Inc. http://sensing.honeywell.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ООО

Беспроводные технологии Новый GSM/GPRS/3G-модуль от Sierra Wireless

Заказать инженерные образцы и получить более подробную техническую информацию можно, обратившись в любой из офисов компании «Элтех».

Freescale Semiconductor Inc. www.freescale.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ООО

После того как компания Wavecom вошла в состав Sierra Wireless, появилась возможность предложить рынку новейшие встраиваемые модемы высочайшего класса. Мы предлагаем краткий обзор новинки от Sierra Wireless MC8790.

MC8790 PCI — новый GSM/ GPRS/3G встраиваемый модуль от компании Sierra Wireless. Он выполнен в виде карты Mini PCI Express размером 51×30×4,5 мм, что позволяет встраивать его,

электронные компоненты №8 2009

89

например, в промышленные компьютеры. Связка промкомпьютер и MC8790 — превосходное сочетание, дающее возможность передавать и получать данные на высокой скорости с терминалов оплаты, рекламных мониторов в транспорте, одновременно эффективно управлять медиаконтентом, определять местонахождение устройства с модемом. Модуль MC8790 PCI содержит целый ряд высокотехнологичных решений, которые выделяют его среди других беспроводных продуктов. Во-первых, MC8790 PCI является полнофункциональным 3G-модулем и поддерживает следующие типы сетей: 2G (GSM), 2.5G (GPRS), 2.75G (EDGE), 3G (W-CDMA), 3.5G (HSDPA) и 3.75G (HSUPA). Скорость передачи данных — 7,2 Мбит на прием и 2,0 Мбит при отправке. Во-вторых, модуль MC8790 PCI сделан на основе хорошо себя зарекомендовавших чипсетов MSM6290, выпускающимися компанией Qualcomm. Этот чипсет поддерживает популярную беспроводную технологию gpsOne®. На сегодняшний день gpsOne является самым распространенным решением для определения местоположения на базе GPS. В-третьих, MC8790 поддерживает USIM-карты, которые являются расширенной версией SIM-карты, поддерживаемой в сети UMTS. Модуль MC8790 снабжен двумя антенными выводами — основным и дополнительным. Основной коннектор предназначен для работы с GSM/GPRS/EDGE, а дополнительный — для работы с HsxPA. Модуль полностью поддерживает стандартный интерфейс AT-команд. Разработчикам также предоставляется встроенный программный API-интерфейс, а также SDK, поставляемый компанией Sierra Wireless. Безусловно, данный продукт займет достойное место в расширенной линейке продаж GSM-модулей компании «Элтех». Его небольшие габариты и удобство использования позволят найти ему самое широкое применение. Технические характеристики: – PCI Express Mini Card; – чипсет MSM629 от Qualcomm№ – типы сетей 2G (GSM), 2.5G (GPRS), 2.75G (EDGE), 3G (W-CDMA), 3.5G (HSDPA) и 3.75G (HSUPA); – четыре частотных диапазона GSM/GPRS 850/900/1800/1900 МГц; – три диапазона 850/1900/2100 MHz WCDMA; – GPRS класс 12; – габаритные размеры: 51×30×4,5 мм; – промышленный рабочий диапазон температур: –25…60°С; – напряжение питания: 3,0...3,6 В; – программное обеспечение: – поддержка АТ-команд; – поддержка CnS команд; – встроенный API. Sierra Wireless, Inc. www.sierrawireless.com

90

Microchip Technology www.microchip.com

Дополнительная информация: см. Microchip Technology

Дополнительная информация: см. «Элтех», ООО

Микроконтроллеры и DSP Первые PIC®-микро­ контроллеры с новым 8-битным ядром Enhanced Mid-Range от компании Microchip

Ключевые особенности: – новое семейство PIC-контроллеров с технологией микропотребления nanoWatt XLP для самых требовательных приложений; – улучшенное 8-битное ядро, оптимизированное как для программирования на C, так и на ассемблере; – увеличенный объем памяти и количество портов ввода/вывода при уменьшении энергопотребления и увеличении производительности.

WWW.ELCP.RU

Компания Microchip анонсировала первые 6 контроллеров семейства PIC16F193X с усовершенствованным 8-битным ядром. Увеличенный объем памяти и расширенные возможности ядра позволяют одинаково эффективно программировать как на ассемблере, так и на С. Семейство LF новой технологии nanoWatt XLP позволяет обеспечить предельно низкое энергопотребление. Микроконтроллеры PIC16F1934, PIC16LF1934, PIC16F1936, PIC16LF1936, PIC16F1937 и PIC16LF1937 расширили номенклатурный ряд PIC-контроллеров Microchip до более чем 550, что позволяет подобрать оптимальное сочетание характеристик и цены для любой задачи. Продолжая традиции PICконтроллеров по расширению периферии, новое семейство включает драйвер ЖКИ и модуль mTouchTM для обработки емкостных сенсоров. Микроконтроллеры открывают новые уровни функциональности для дешевых систем. К основным особенностям контроллеров PIC16F193X можно отнести: – флэш-память программ до 14 Кбайт; – ОЗУ до 512 байт; – 256 байт EEPROM; – драйвер ЖКД (96 сегментов); – технологию nanoWatt XLP в LF-версиях; – модуль mTouch для построения сенсорного интерфейса управления на емкостных датчиках; – встроенный тактовый генератор 32 МГц; – до 5 расширенных модулей захвата/сравнения/ШИМ с независимыми таймерами; – укороченное время реакции на прерывание; – 16-уровневый аппаратный стек с прерыванием по опустошению/переполнению; – работу при напряжениях питания 1,8...5,5 В, включая весь спектр операций аналоговой периферии; – Master SPI/I2C™ и EUSART с поддержкой RS-232/RS-485 и LIN; – до 14 каналов 10-бит АЦП; – 2 rail-to-rail компаратора с функциональностью 555 Timer – 4×8-бит и 1×16-бит таймеры с поддержкой сверхмикропотребляющих часов реального времени eXtreme Low Power RTC; – такие надежные системы мониторинга как POR, BOR и малопотребляющий WDT. Благодаря набору из 49 инструкций микроконтроллеры PIC16F193X позволяют оптимизировать программный код и обработку данных при увеличении производительности и уменьшении времени такта.

Microchip предлагает полный набор стандартных средств разработки, чтобы проектировать устройства на базе нового семейства PIC16F193X. Более подробную информация см. на странице www.microchip.com/enhanced.

Контроллеры сенсорных резистивных панелей компании Microchip для встраиваемых систем

Ключевые особенности: – высокоинтегрированные контроллеры, упрощающие реализацию управления резистивными сенсорными экранами; – полная обработка и надежное определение координат без внешнего АЦП; – дополнение к технологии mTouchTM, объединяющей обработку резистивных, емкостных и индуктивных сенсорных систем. Компания Microchip анонсировала контроллер резистивных сенсорных панелей AR1000, дополнив ассортимент решений mTouchTM, включающих обработку емкостных и индуктивных сенсоров. Контроллеры AR1000 укрепляют положение Microchip на рынке полупроводников. Благодаря встроен-

ному декодеру, расширенным возможностям фильтрации и калибровки, контроллеры AR1000 позволяют снизить стоимость и сократить время выхода конечного устройства на рынок. До появления контроллера AR1000 возможности встраиваемых систем с пользовательскими интерфейсами на базе резистивных сенсорных панелей ограничивались возможностями использования микроконтроллера АЦП и требовали сложного программирования. Контроллеры AR1000 избавляют инженеров от такой эмпирической разработки, обеспечивая выполнение декодирующих и фильтрующих алгоритмов, которые позволяют получить надежные конечные координаты. Новый контроллер AR1000 обеспечивает высокую надежность и низкую стоимость системы при сокращении времени разработки. Резистивные панели обрели огромную популярность благодаря низкой стоимости, одинаковой восприимчивости к касанию пальцем, перчаткой или пером, а также простоте производства и интеграции в таких сферах как мобильные телефоны, индустриальная автоматизация, розничные продажи, игровые и развлекательные приставки, автомобильные системы навигации и т.д. Контроллеры AR1000 поддерживают универсальные 4-х, 5-и и 8-проводной интерфейсы, а также наиболее популярные последовательные протоколы SPI, I2C TM и UART и доступны в 20-выводных корпусах QFN, SOIC и SSOP. Компания Microchip также анонсировала стартовый набор mTouch AR1000 Development Kit (DV102011), включающий все необходимое для начала разработки на базе AR1000. Набор содержит плату разработчика с AR1000, 7-дюймовую четырехпроводную резистивную сенсорную панель, анализатор последовательных протоколов PICkit™ Serial Analyzer, все необходимые кабели и компакт-диск с технической документацией, графической библиотекой пользователя GUI и сопутствующим ПО. Более подробную информацию см. на странице www.microchip.com/mtouch.

Microchip Technology www.microchip.com

Дополнительная информация: см. Microchip Technology Набор разработчика PICDEMTM Lab Development Kit компании Microchip

Ключевые особенности: – набор разработчика содержит все необходимое для начала разработки; – включает 5 наиболее популярных 8-битных микроконтроллеров с отладчиком/программатором, подробной документацией и примерами применения; – набор адаптирован на студентов и преподавателей. Компания Microchip анонсировала набор разработчика PICDEMTM Lab Development Kit — универсальную платформу для освоения маловыводных (до 20 выводов) 8-битных PIC®-микроконтроллеров. Предназначенный для преподавателей, студентов и начинающих осваивать микроконтроллеры инженеров, набор PICDEM Lab Development Kit включает 5 наиболее популярных 8-битных PIC-контроллеров, необходимую обвязку из дискретных элементов, программатор/отладчик PICkit2™ и компакт-диск с документацией, лабораторными работами и примерами применения. Набор включает все необходимое для освоения 8-битных PIC-контроллеров и позволяет ускорить процесс разработки конечного изделия.

Макетное поле платы PICDEM Lab development board позволяет выполнить соединения элементов схемы без применения пайки, изучить все работы, описанные в руководстве по лабораторным работам PICDEM Lab. Пособие по лабораторным работам обучает основам работы с общей периферией и на примерах позволяет освоить особенности каждого семейства микроконтроллеров. Все примеры исходных кодов написаны на языке высокого уровня C и могут быть скомпилированы компилятором HI-TECH, который доступен на сайте www.microchip.com/HI-TECH. В набор разработчика PICDEM Lab входят: – макетная плата PICDEM Lab Development Board с 5 образцами наиболее популярных 8-битных PICмикроконтроллеров; – минимальный набор дискретных компонентов для работы контроллера; – программатор/отладчик PICkit™ 2; – компакт-диск с документацией, руководством по лабораторным работам и примерами применений; – бесплатный C-компилятор, доступный для скачивания с сайта www.microchip.com/HI-TECH. Набор разработчика PICDEM Lab Development Kit (DM163035) доступен для заказа уже сегодня. Более подробную информацию см. на странице www.microchip.com/ picdemlab.

Microchip Technology www.microchip.com

Дополнительная информация: см. Microchip Technology

Пассивные компоненты Ультрапрецизионные кварцевые генераторы класса 10-10 по стабильности частоты

ОАО «Морион» (С.-Петербург) представляет семейство ультрапрецизионных кварцевых генераторов для современной РЭА различного назначения. Одно из их главных применений — решение задач частотно-временного обеспечения в различных видах РЭА. Представляемые генераторы обладают высокой, порядка 1×10 –10, стабильностью в широком интервале рабочих температур при низкой чувствительности к резким изменениям окружающей температуры. Большинство моделей имеет напряжение питания 12 В и выходной сигнал SIN. Основные параметры приведены в сводной таблице. Стабильность частоты Частота или диапазон в интервале долговре- кратковре- Корпус, мм частот, МГц температур менная, за менная за 1 с год (дев. Аллана) 1×10–8 2×10–12 51×51×38 ГК89-ТС 4,096…10 ±1×10–10 ГК180-ТС 5…16,384 51×51×19 51×51×17 51×41×19 ГК200-ТС 5…100 ±2×10–10 1×10–12 51×51×16 51×51×12,7 51×41×10 Модель

ГК209-ТС ГК216-ТС

10 5; 10

±5×10

–11

2×10–8 5×10–9

2×10–12

36×27×19 51×51×38

Подробнее о некоторых особенностях указанных моделей.

1. ГК89-ТС — один из самых популярных приборов данного семейства. ГК89-ТС может поставляться крупными партиями с короткими сроками поставки и по привлекательной цене. Эта модель представляет собой эффективное решение с точки зрения комбинации стоимости и стабильности частоты.

2. ГК180-ТС — прибор, близкий по стабильности к ГК89ТС, но при этом обладающий такими преимуществами как: (а) малая высота корпуса — 19, и даже 17 мм; (б) вариант исполнения в прямоугольном корпусе 51×41×19 мм; (в) вариант исполнения с напряжением питания 5 В.

3. ГК200-ТС — модель с очень широкими адаптивными возможностями под различные применения. Прибор доступен к поставке в целом ряде различных исполнений. Помимо различ-

электронные компоненты №8 2009

91

ных вариантов по напряжению питания, выходному сигналу и высоте корпуса (до 10 мм!), ГК200-ТС имеет несколько вариантов исполнения по уровню фазовых шумов (в т.ч. ультрамалошумящей — опцию ULN), вариант с ужесточенными требованиями к кратковременной стабильности частоты (до 7×10–13/с) и вариант с сокращенным временем установления частоты (вплоть до 1 мин).

4. ГК209-ТС — прибор, актуальный для аппаратуры, в которой, помимо жестких требований к стабильности частоты, необходимы минимальные габариты опорного генератора. В настоящее время ГК209-ТС является самым миниатюрным генератором с двойным термостатированием, представленным на рынке. Габариты ГК209-ТС составляют всего 36×27×19 мм.

5. ГК216-ТС — прибор, характеризующийся предельными значениями стабильности частоты, которые в сочетании с высоким уровнем кратковременной стабильности частоты и низким уровнем фазовых шумов позволяют считать ГК216-ТС эффективной заменой рубидиевых генераторов для ряда применений. ОАО «Морион» www.morion.com.ru

Дополнительная информация см. «Морион», ОАО

Источники питания MOSFET-транзистор IRF6718L2 в корпусе Large Can DirectFET®

92

Транзистор IRF6718L2 выполнен по технологии корпусирования кристаллов самого последнего поколения в новом корпусе Large Can DirectFET и имеет ультранизкое сопротивление открытого канала RDS(on), типовое значение которого равно 0,5 мОм при 10 В VGS. Площадь основания корпуса и его высота, соответственно, на 60% меньше и на 85% ниже, чем у D2PAK. У нового устройства значительно меньшие потери проводимости, связанные с пропускным элементом в схеме O-Ring или горячей заменой (Hot Swap), что позволяет существенно повысить КПД всей системы в целом. Особенности: – Устройство соответствует нормам RoHS и не содержит свинца и бромида; – корпус имеет двустороннее охлаждение; – сверхнизкая индуктивность корпуса; – очень низкое сопротивление RDS(on), что позволяет снизить потери проводимости; – устройство оптимизировано для таких применений как активная O-Ring (силовая схема ИЛИ) и eFUSE (электронный предохранитель); – совместимость с технологиями поверхностного монтажа (SMT). Преимущества: – Транзистор IRF6718L2 — первое устройство International Rectifier, выполненное в большом корпусе Large Can DirectFET, который занимает меньшее место на плате, чем D2PAK, и имеет существенно меньшее значение RDS(on) по сравнению с устройствами других производителей, что обеспечивает высокий КПД и большую тепловую эффективность для приложений с высокой плотностью DC/DC-устройств; – занимаемое на плате место и суммарная стоимость системы меньше по сравнению с предлагаемыми решениями, т.к. при заданных потерях мощности требуется меньшее количество компонентов; – расширенная область безопасной работы SOA (Safe Operating Area) устройства IRF6718L2 позволяет использовать функции Hot Swap и E-Fuse.

International Rectifier www.irf.com

Дополнительная информация: см. Представительство IR Интернешнл Холдинг, Инк. в России, странах СНГ и Балтии

WWW.ELCP.RU

Новые 150- и 200-В MOSFET-транзисторы от компании International Rectifier

Новые MOSFETтранзисторы на 150 и 200 В предназначены для решений с жестким переключением и высокочастотными цепями, например для импульсных источников питания, ИБП и инверторов. Эти устройства имеют очень низкий заряд затвора (Qg) и потому оптимизированы для схем с быстрым переключением, для которых критичны потери на переключение. Данные компоненты, выполненные в корпусах TO-220, D2PAK, TO-262, DPAK и IPAK, обладают лучшим на рынке соотношением цена/производительность. Особенности – Индустриальное применение; – соответствие нормам RoHS; – уровень устойчивости к влажности — MSL1. Преимущества – Устройства обладают очень низким зарядом затвора (Qg) и потому предназначены для приложений с низкой входной емкостью и низким управляющим напряжением затвора; – устройства применяются в качестве первичных переключателей изолированных DC/DC-преобразователей в приложениях связи или для управления световой нагрузкой в любом современном DC/DC-приложении; – суммарный заряд затвора новых 150-В устройств до 59% ниже, чем у конкурирующих приборов, а у 200-В — до 33%.

International Rectifier www.irf.com

Дополнительная информация: см. Представительство IR Интернешнл Холдинг, Инк. в России, странах СНГ и Балтии Новые эталонные 30-В MOSFET компании IR для промышленных применений

Серия новых силовых MOSFET-транзисторов на 30 В TO-220 HEXFET® компании International Rectifier с ультранизким значением заряда затвора (Qg) предназначена для индустриальных применений, включая источники бесперебойного питания (ИБП), высокоэффективные низковольтные DC/DC-преобразователи, приложения типа O-Ring (силовая схема ИЛИ соединения источников питания), источники питания для серверов и сетевых рабочих станций. Высоконадежные MOSFET-транзисторы, в которых применяется технология Trench самого последнего поколения, обладают очень низким сопротивлением открытого канала RDS(on), что позволяет снизить тепловое рассеивание. Кроме того, ультранизкий заряд затвора новых устройств позволяет увеличить срок службы батарей ИБП и приводов. Новые устройства сочетают в себе превосходные эксплуатационные характеристики и имеют низкую стоимость. Благодаря тому, что у этих устройств четыре уровня RDS(on) и 30-В Qg, у разработчиков имеется возможность гибкого и оптимального выбора прибора, отвечающего спецификациям и требованиям приложения. Новые транзисторы обладают высокой устойчивостью к напряжению и току лавинного пробоя, являются прямой усовершенствованной заменой существующих 30-В MOSFET в

корпусе TO-220 и продолжением линейки Benchmark MOSFET компании IR. Эти устройства предназначены для промышленного применения, их уровень чувствительности к влажности — MSL1. Транзисторы выполнены в корпусе TO-220 и соответствуют нормам RoHS. International Rectifier www.irf.com

Дополнительная информация: см. Представительство IR Интернешнл Холдинг, Инк. в России, странах СНГ и Балтии DC/DC-преобразователь V36SE от Delta Electronics

Компания Delta Electronics, специализирующаяся на производстве импульсных преобразователей, представляет последнее обновление семейства преобразователей Delphi — V36SE3R315 в форм-факторе 1/16 brick со сверхшироким диапазоном входных напряжений 18…75 В. Преобразователь V36SE3R315 обладает выходной мощностью 50 Вт (15 A) в диапазоне входного напряжения 36…75 В и мощностью 40 Вт (12 А) в диапазоне входного напряжения 18…36 В. Типовой КПД модуля 3,3 В/15 A при входном напряжении 48 В составляет более 88%. Новый преобразователь V36SE имеет не только превосходные электрические и тепловые характеристики, но и высокую энергоэффективность. Это, в свою очередь, позволяет уменьшить его габариты и стоимость, что зачастую является главным условием для конечных применений.

V36SE обладает полным набором стандартных функций управления и защиты промышленного преобразователя. Более того, он соответствует всем международным стандартам безопасности и обеспечивает изоляцию вход/выход в 2250 В. Характеристики – Входное напряжение — 18…75 В; – рабочая частота — 440 кГц; – напряжение изоляции (вход выход) — 2250 В; – емкость изоляции — 1 нФ; – сопротивление изоляции (минимум) — 10 МОм; – габариты — 33,0×22,8×8,7 мм; – погрешность выходного напряжения — ±1%; – нестабильность по сети/нагрузке — ±10 мВ; – пульсации выходного напряжения — 100 мВ; – ограничение по току — 125%; – ограничение по напряжению — 130%. Применение – Оборудование для оптоволоконных сетей; – серверы; – связь; – цифровые сети передачи данных.

Delta Electronics, Inc. www.delta.com.tw

Дополнительная информация: см. «Макро Групп», ЗАО Семейства 2-Вт DC/DC-преобразователей H_RN и H_LT от Mornsun

Компания Mornsun представляет семейство 2-Вт изолированных DC/DC-преобразователей без стабилизации выходного напряжения. Особенности семейства – Высокий КПД — до 80%; – корпусное исполнение DIP/SMD; – изоляция 6 кВ DC; – рабочий диапазон температур –40...85°С; – внутренняя SMD-конструкция; – не требуется теплоотвода;

– не требуется внешних компонентов; – защита от короткого замыкания (длительная); – стандартное промышленное расположение выводов; – RoHS-совместимость. Применение Семейства H_RN и H_LT разработаны специально для построения распределенных систем электропитания, где напряжение входа стабильно (отклонение ≤±10%), требуется изоляция между входом и выходом (напряжение изоляции ≤6000 В DC), а также отсутствуют строгие требования к выходному напряжению. Например: цифровые цепи, низкочастотные аналоговые схемы общего применения, системы управления IGBT-модулями.

Mornsun www.mornsun-power.com

Дополнительная информация: см. «Макро Групп», ЗАО Семейство неизолированных преобразователей DNK12 Delphi Series от Delta Electronics

DNK12 — семейство неизолированных DC/ DC-преобразователей с входным напряжением 6…14 В и одним выходным напряжением от Delta Electronics Inc. — мирового лидера в производстве силовых преобразователей. Семейство DNK12 позволяет установку выходного напряжения на уровне 0,8…5,5 В с помощью внешнего резистора. Данное семейство преобразователей доступно в корпусах SIP или для поверхностного монтажа в стандартном промышленном исполнении и обеспечивает на выходе ток в 30А. Благодаря отлаженной схеме и удачному расположению элементов эти преобразователи обладают прекрасными электрическими и тепловыми характеристиками и высокой надежностью. Особенности – Высокий КПД: 95% @ 12 В, 5 В/30 A out (SIP); – малые габариты: 50,8×12,7×14,0 мм (2,00"×0,50"×0,55"); – стандартное расположение выводов; – слежение за выходным напряжением; – не требуется минимальная нагрузка; – регулируемое выходное напряжение 0,8…5,5 В DC (с помощью внешнего резистора); – фиксированная рабочая частота; – защиты UVLO, OTP, OCP; – дистанционное управление питанием; – производство сертифицировано ISO 9000, TL 9000, ISO 14001. Характеристики – Входное напряжение — 6…14 В; – рабочая частота — 350 кГц; – время включения — 7 мс; – габариты — 50,8×12,7×14,0 мм (2,00"×0,50"×0,55"); – диапазон регулировки выходного напряжения — 0,8…5,5 В; – нестабильность выходного напряжения по сети — 0,2%; – нестабильность выходного напряжения по нагрузке — 0,4%; – пульсации выходного напряжения — 50 мВ; – ограничение по току — 180%. Применение – Связь, системы передачи данных; – распределенные системы электропитания; – серверы, рабочие станции; – LAN- и WAN-устройства; – устройства обработки данных.

Delta Electronics, Inc. www.delta.com.tw

Дополнительная информация: см. «Макро Групп», ЗАО

электронные компоненты №8 2009

93

Новое семейство AC/ DC-преобразователей LI24 с креплением на DIN-рейку от Mornsun

94

LI24 — новое семейство высокопроизводительных преобразователей с хорошим соотношением цена/качество от компании Mornsun. LI24 гарантирует высокую надежность в условиях изменения нагрузки, параметров питающей сети, температуры и др. условий, которыми характеризуется промышленное производство. Преобразователь обладает небольшим весом и габаритами, возможно его крепление на DIN-рейку. Встроенный конденсатор высокой емкости обеспечивает достаточное время удержания напряжения. Особенности – Крепление на стандартную DIN-рейку; – универсальный диапазон входного напряжения 90…264 В AC; – подстраиваемое выходное напряжение; – низкий уровень пульсаций и шумов; – защита от пониженного входного напряжения; – защита от перегрузки и короткого замыкания; – типовой КПД — 85%; – тепловое рассеяние — свободная конвекция; – рабочая частота — 60 кГц; – время наработки на отказ > 200 тыс. ч; – соответствие промышленным стандартам. Характеристики – Температура: работы –25...70°C max; хранения –25…85°C max; снижение мощности выше 55ºС 3,75%/°C; (для LI24-10B05 — выше 50°C) – влажность 95% max; – температурный коэффициент 0,02%/°C; – рабочая частота 60 кГц; – КПД 85% — типовой; – напряжение изоляции 3000 В AC;

(вход/выход) – время наработки 200 тыс. ч;

на отказ @ 25ºС – уровень ЭМИ EN55022, уровень B FCC

часть 15, уровень B; – EMS IEC/EN 61000-4-2 4 кВ/8 кВ;

IEC/EN 61000-4-3 3 В/м;

IEC/EN 61000-4-4 1 кВ;

IEC/EN 61000-4-5 level 3

1 кВ/2 кВ; – стандарты безопасности L 60950, IEC 60950,

EN 60950; – класс безопасности Класс 1; – защита корпуса IP 20; – монтаж DIN-рейка 35 мм.

Mornsun www.mornsun-power.com

Дополнительная информация: см. «Макро Групп», ЗАО Миниатюрные DC/DC-преобразо­ва­тели MORNSUN мощностью 2 Вт для поверхностного монтажа

Компания Mornsun предлагает DC/ DC-преобразователи серии BxxxxT-2W. Преобразователи с выходной мощностью 2 Вт выполнены компактных корпусах SMD8 (12,7×7,5×6,0 мм) со стандартным промышленным расположением выводов для поверхностного монтажа на печатную плату. Диапазоны входных напряжений (5, 12, 24 В ±10%). Рабочий температурный диапазон –40…85°С, КПД до 80%, прочность изоляции вход-выход — 1кВ (в течение 1 мин.). Преобразователи имеют нестабилизированный выход (5, 12, 15, 24 В DC). Стандартное расположение выводов позволяет при

WWW.ELCP.RU

необходимости легко перейти от DC/DC-преобразователей 1 Вт в аналогичном корпусе к серии BxxxxT-2W. Эта серия является оптимальным решением для задач, в которых требуется гальваническая развязка и компактность.

Mornsun www.mornsun-power.com

Дополнительная информация: см. «ЭКО», ООО Миниатюрные DC/DC-преобразо­ватели MORNSUN мощностью 1 Вт, прочностью изоляции 3000 В для поверхностного монтажа

Компания Mornsun предлагает DC/ DC-преобразователи серии FxxxxXT-1W. Преобразователи с выходной мощностью 1 Вт выполнены компактных корпусах SMD8 (12,7×7,5×6,0 мм) со стандартным промышленным расположением выводов для поверхностного монтажа на печатную плату. Диапазоны входных напряжений (3, 5, 12 В ±10%). Рабочий температурный диапазон –40…85°С, КПД до 79% прочность изоляции вход-выход 3 кВ (в течение 1 мин.). Преобразователи имеют нестабилизированный выход (3, 5, 12, 15 В DC). Особенностью данной серии является высокая прочность изоляции, компактность, а также стандартное расположение выводов. Это позволяет при необходимости легко перейти от DC/DC-преобразователей в аналогичном корпусе с изоляцией 1 кВ к серии с большей прочностью изоляции FxxxxXt-1W. Mornsun www.mornsun-power.com

Дополнительная информация: см. «ЭКО», ООО

Microchip Technology, Inc. sale@gamma.spb.ru www.microchip.com

«Макро Групп», ЗАО

196105, С.-Петербург, ул. Свеаборгская, 12 Тел.: (812) 370-60-70 Факс: (812) 370-50-30 sales@macrogroup.ru support@macrogroup.ru www.macrogroup.ru

«Морион», ОАО

199155, С.-Петербург, пр. Кима, д. 13а Тел.: (812) 350-75-72, (812) 350-92-43 Факс: (812) 350-72-90, (812) 350-15-59 sale@morion.com.ru www.morion.com.ru

Представительство IR Интернешнл Холдинг, Инк. в России, странах СНГ и Балтии 107023, Москва, Семеновский пер., 15, оф. 406 Тел./факс: (495) 964-95-60 irmoscow@gmail.com www.irf.com

«ЭКО», ООО

107553, Москва, ул. Б. Черкизовская, 20, стр. 1, оф. 307 Тел.: (499) 161-91-83 electron@e-co.ru www.e-co.ru

«Элтех», ООО

198035, С.-Петербург, ул. Двинская, 10, к. 6А Тел.: (812) 635-50-60 Факс: (812) 635-50-70 info@eltech.spb.ru www.eltech.spb.ru