Электронные компоненты №12/2009 by Oleg Polikarpov

содержание

№12/2009 РЫНОК

32 Эдриан Валенцуэла Аккумуляция энергии без использования батарей во встраиваемых системах

8 Найти изюминку 12 События рынка

36 Сергей Кривандин, Андрей Конопельченко DC/DC-преобразователи PEAK для экономичных портативных приборов

РАЗРАБОТКА и КОНСТРУИРОВАНИЕ 13 Владимир Кондратьев Тепловой расчет устройств силовой электроники

ДАТЧИКИ

20 Дэвид Кац, Рик Джентайл Введение в проектирование маломощных схем 23 Виктор Ежов Пути снижения энергопотребления во встраиваемых приложениях на базе DSP и FPGA 30 Игорь Алексеев Технологии силовой электроники для снижения энергопотребления

42 Стив Назири, Дэвид Сакс, Михаэль Майа Выбор и использование датчиков движения на основе МЭМС 45 Джон Остин, Эзана Хэйл Реализация функции термодатчика во встраиваемой системе 48 Брюс Лент Рекомендации по выбору акселерометра

журнал для разработчиков

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ

Руководитель направления «Разработка электроники» и главный редактор Леонид Чанов; ответственный секретарь Марина Грачёва; редакторы: Елизавета Воронина; Виктор Ежов; Екатерина Самкова; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; редакционная коллегия: Валерий Григорьев; Иван Покровский; Борис Рудяк; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; реклама: Антон Денисов; Ольга Дорофеева; Елена Живова; распространение и подписка: Марина Панова, Василий Рябишников; вёрстка, дизайн: Александр Житник; Михаил Павлюк; директор издательства: Михаил Симаков Адрес издательства: Москва,115114, ул. Дербеневская, д. 1, п/я 35 тел.: (495) 741-7701; факс: (495) 741-7702; эл. почта: elecom@ecomp.ru, www.elcp.ru ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА: Мир электроники (Самара): 443080, г. Самара, ул. Революционная, 70, литер 1; тел./факс: (846) 267-3139, 267-3140; е-mail: info@eworld.ru, www.eworld.ru. Радиоэлектроника: 620107, г. Екатеринбург, ул. Гражданская, д. 2, тел./факс: (343) 370-33-84, 370-21-69, 370-19-99; е-mail: info@radioel.ru, www.radioel.ru. ЭЛКОМ (Ижевск): г. Ижевск, ул. Ленина, 38, офис 16, тел./факс: (3412) 78-27-52, е-mail: office@elcom.udmlink.ru, www.elcompany.ru. ЭЛКОТЕЛ (Новосибирск): г. Новосибирск, м/р-н Горский, 61; тел./факс: (3832) 51-56-99, 59-93-31; е-mail: info@elcotel.ru, www.elcotel.ru. Издательство «Электроника инфо» (Минск): 220015, г. Минск, прз. Пушкина, 29 Б; тел./факс: +375 (17) 251-6735; е-mail: electro@bek.open.by, electronica.nsys. by. IMRAD (Киев): 03113, г. Киев, ул. Шутова, д. 9, оф. 211; тел./факс: +380 (44) 495-2113, 495-2110, 495-2109; е-mail: imrad@tex.kiev.ua, www.imrad.kiev.ua Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory». Использование материалов возможно только с 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 07.12.2009 г. Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 3000 экз. Изготовлено ООО «Группа Море». г. Москва, Хохловский пер., д. 9. Тел.: +7 (495) 917-80-37.

электронные компоненты

www. elcp.ru

51 Кирилл Тихомиров Дифференциальный датчик давления и потока воздуха 53 Джафер Меджахед МЭМС-датчики движения от STMicroelectronics: акселерометры и гироскопы

СЕТИ и ИНТЕРФЕЙСЫ 58 Виктор Охрименко PLC-технологии. Часть 3 содерж а ние

СВЕТОТЕХНИКА и ОПТОЭЛЕКТРОНИКА 62 Ирина Ромадина Драйверы для светодиодных источников света от компании ON Semiconductor

ЭЛЕКТРОПРИВОД 69 Станислав Флоренцев, Дмитрий Изосимов Тяговый электропривод в гибридных транспортных средствах. Идеология проектирования КТЭО. Часть 2

www. elcp.ru

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ И ПРИБОРЫ 74 Алексей Игнатов Методы измерения шума в цифровых схемах

ТЕОРИЯ и ПРАКТИКА 76 Виктор Александров Базовые принципы построения ВЧ-тракта приемника беспроводной системы связи

ПОСЛЕ РАБОТЫ 82 Тейс Бэкерс Улучшение характеристик усилителей класса D 84 Юрий Садиков Светодиодные лампы как альтернатива галогенным лампам 86 Новые компоненты

на российском рынке

contents # 1 2 / 2 0 0 9

E LEC TRO N IC COM PO N E NTS #12 20 09 MARKET 8 Finding Balance. Interview 12 MARKET EVENTS

DESIGN and DEVELOPMENT 13 Vladimir Kondratiev

53 Jafer Medjahed MEMS Motion Sensors from STMicroelectronics

NETWORKS and INTERFACES 58 Victor Okhrimenko PLC Technologies. Part 3

Thermal Design for Power Devices

POWER SAVING 20 David Katz and Rick Gentile

LIGHTING and OPTOELECTRONICS 68 Irina Romadina LED Drivers for Light Sources from ON Semiconductor

Intro to Low-Power Design 23 Victor Ezhov Reducing Power Consumption in DSP- and FPGA-Based Embedded Apps

DRIVES 64 Stanislav Florentsev and Dmitry Izosimov Traction Motor in Hybrid Vehicles. Designing Traction Electric Equipment Set. Part 2

30 Igor Alexeev

32 Adrian Valenzuela Batteryless Energy Harvesting for Embedded Designs 36 Sergey Krivandin and Andrey Konopelchenko PEAK DC-DC Converters for Low-Cost Portable Devices

SENSORS 42 Steve Nasiri, David Sachs and Michael Maia Selection and Integration of MEMS-based Motion Processing Devices 45 John Austin and Ezana Haile Implementing the Right Thermal Sensing Option in Your Embedded Design 48 Bruce Lent

TEST and MEASUREMENT 74 Alexey Ignatov Noise Measurement in Digital Circuits

THEORY and PRACTICE 76 Victor Alexandrov Building RF Path of Wireless Communication System

AT LEISURE 82 Thijs Beckers Performance Improvement for Class D Amplifiers 84 Yury Sadikov LED Lamps as Alternative to Halogen Lamps 86 NEW COMPONENTS IN THE RUSSIAN

MARKET

Simple Steps to Selecting the Right Accelerometer 51 Kirill Tikhomirov Differential Pressure and Air Flow Sensor

электронные компоненты №12 2009

5 содерж а ние

Power Electronics Technologies for Reducing Power Consumption

Компании:

производители, дистрибьюторы, поставщики

7 EEMB 4-я обл. IR/Компэл, ЗАО 2 Microchip Technology Corp. 39 Peak Electronics 15 Texas Instruments 17 Rutronik

47 Александер Электрик Дон, ООО 73 Александер Электрик источники питания, ООО 21, 71 Аргуссофт 80 Гранит-ВТ, ЗАО Спб 2-я обл., 57, 65 Компэл, ЗАО 29 Макро Групп, ООО 85 Мастер Кит 35 Мастер Тул, ООО 25 Миландр, ЗАО

19 МТ-Систем, ООО содерж а ние

59 Неон, ООО 52 Политекс, ООО 41 Примэкспо, ООО 4 Резонит, ООО 79 Реом СПб, ЗАО 3-я обл. Симметрон, ЗАО 43 СМП, ООО 61 Электроконнект, ООО 49 Элитан, ЗАО 1 Элтех, ООО

www. elcp.ru

Найти изюминку Сегодня кто только не говорит о высоких технологиях, об инновациях, но как они создаются, как работают, мало кто знает. Наш журнал решил заглянуть за кулисы этого процесса и на примере успешных, быстроразвивающихся российских предприятий показать специфику, проблемы, возможности российского хайтека. Если говорить о высоких технологиях, то начинать следует, конечно, с Зеленограда. Мы выбрали компанию ЗАО «ПКК Миландр». Это успешно развивающееся предприятие, которое специализируется на комплексной поставке электронных компонентов отечественного, в т.ч. собственного, и импортного производства, на разработке ИС, сертификационных и иных видах испытаний микросхем. На наши вопросы ответил Михаил Павлюк, генеральный директор «Миландра».

рынок

— Расскажите, пожалуйста, немного о компании — истории ее создания, финансовых аспектах деятельности, структуре. — «Миландр» занялся дистрибуцией, когда многие начинали свою предпринимательскую деятельность — в 1992 г. С того времени нам удалось пройти длинный путь от простого дистрибьютора ЭРИ до разработчика и производителя собственных компонентов. Предыдущая деятельность не прошла зря: применяя наши компоненты, потребители ориентируются на качество дилерской деятельности «Миландра», на отношение к делу вообще. От того, какими мы были в прошлом, нам доверяют или нет сегодня. Могу точно сказать, что нельзя заняться высокими технологиями и сразу получить признание. Чтобы достичь успеха, надо съесть не один пуд соли. Мы пошли именно этим путем, наверное, потому, что большинство наших сотрудников, и я в том числе, учились профессии в Московском институте электронной техники, а также имели различный опыт производственной деятельности на зеленоградских предприятиях. В начале 2002 г. в нашей стране началось движение в направлении развития ЭКБ: разрабатывались ФЦП, и были выделены значительные средства на разработку ИМС. Мы воспользовались моментом. Поставляя компоненты на протяжении длительного времени, мы хорошо изучили сложности, с какими сталкиваются производители аппаратуры, какая элементная база им требуется, каким им хотелось бы видеть процесс поставки компонентов. Желание помочь им, снять часть проблем путем разработки современных российских качественных компонентов привело нас к идее организации на нашем предприятии сначала дизайн-центра, затем испытательной и измерительной лаборатории, а в настоящее время и полноценного производства ИМС.

www.elcp.ru

С 2003 г. мы начали интенсивно развиваться. По мере освоения одного вида деятельности возникала необходимость освоения следующего. Каждое новое направление начиналось с поиска лидера, имеющего значительный научный и производственный опыт и способного создать и управлять подразделением. На сегодняшний день у нас 127 сотрудников, два филиала, оборот составляет около 800 млн руб. в год. Значительную долю в нем занимает дистрибьюторская деятельность, но растет и оборот собственной продукции. В этом году мы продадим около 50 тыс. микросхем в керамических и пластиковых корпусах. Чистая прибыль от нашей деятельности, конечно, невысокая, т.к. процесс инноваций невозможно остановить, он требует постоянного вложения денег. Освоение любого нового направления, будь то микросхемы памяти, высокочастотные ИМС и т.д., моментально влечет за собой закупку дорогостоящего оборудования, прием на работу новых сотрудников, расширение производственной базы. Стоимость компании растет, номенклатура ее продукции расширяется, но оборудование устаревает, а с ростом квалификации растет и заработная плата сотрудников, так что тот, кто намерен озолотиться на этом виде бизнеса, думаю, будет разочарован.

— Вы производите не только микросхемы, но и конечные изделия? — Процесс производства и продажи микросхем сопровождается и производством необходимого оборудования. С этой целью мы разрабатываем и производим отладочные платы, программаторы, различные готовые блоки и устройства. Кроме того, наше подразделение в Санкт-Петербурге на базе микросхем «Миландра» разрабатывает и производит системы энерго обеспечения, пожарной безопасности для судов. Необходимость развития на нашем предприятии собственного подразделения по применению ИМС возникла из-за системных проблем у разработчиков аппаратуры. Для них актуальна проблема своевременного и качественного выполнения ОКР. Чтобы облегчить им жизнь, мы стараемся не только поставлять предприятиям микросхемы и прикладные устройства, но и готовые схемотехнические решения. Известно, что на аппаратостроительных предприятиях сегодня разработчики или очень молодые, или пожилые люди. Квалификация молодых инженеров оставляет желать лучшего, а пожилые сотрудники вообще не хотят разбираться в новой элементной базе. Если молодой сотрудник получает задание спроектировать блок, то сначала ему необходимо изучить все особенно-

отдела, а затем и всего дизайн-центра. Алексей Новоселов, прежний руководитель дизайн-центра, приступил к созданию подразделения маркетинга. Оглядываясь назад, считаю, что мы очень правильно поступили, заблаговременно создав эти подразделения. Хотя мы и понесли дополнительные расходы, клиенты получили возможность получать оперативную информацию от технически грамотных специалистов. Кроме того, они развернули работу по информированию потенциальных заказчиков о направлениях и перспективах развития продуктовой линейки нашего предприятия.

— Ваша компания была дистрибьютором, поставляла электронные компоненты, а потом вдруг получила постоянного заказчика в лице Министерства обороны. Как это произошло? — Длительные связи с аппаратостроительными предприятиями плюс благоприятная инвестиционная обстановка в России и наличие достаточного количества опытных специалистов в микроэлектронике привели нас к мысли о создании собственного дизайн-центра. Конечно, в этой ситуации не обошлось без поручителя. Им стал Анатолий Трофимович Буга, бывший замминистра МЭПа. Он пошел на риск, заявив, что ЗАО «ПКК Миландр» обладает достаточным профессионализмом и сможет справиться с такой задачей. У меня к тому времени уже был опыт управления людьми. Кроме того, я уже учился в Институте бизнеса и делового администрирования АНХ на факультете «Стратегический менедж мент». Обучение серьезно облегчило мне тяжелую задачу создания дизайнцентра. Первые пять инженеров — три схемотехника и два тополога — начали разработку аналоговых микросхем. Аналоговая схемотехника оказалось в значительной степени связана с особенностями конкретного производства. Первые свои проекты мы производили на «Микроне». У нас не было жесткой специализации, не хватало квалификации, отсутствовала собственная измерительная и испытательная база, в результате чего происходили сбои и ошибки в работе, а на поиск и исправление уходило много времени и, соответственно, денег. Перед нами встала задача или пустить все на самотек, или идти дальше, наращивать потенциал и расширять специализацию. Нам очень повезло — в нашу компанию пришел Михаил Какоулин, который к тому времени поработал в Германии и хорошо знал технологию производства микросхем в России. Михаил Какоулин стал сначала начальником цифрового

— «Миландр» — сплоченная команда? Как справляетесь с кризисом? — Надеюсь, что никто в нашей компании его не почувствует. Мы много средств и сил вложили в развитие фирмы в тучные времена и надеемся, что все эти меры позволят нам стать, несмотря на кризис, еще лучше. Мы взяли на работу четырех новых сотрудников, попавших под сокращение в инофирмах. Мы знаем, как улучшить работу компании, как ее развивать, но пока мы еще недостаточно много продаем изделий, нет хорошего финансового резерва для расширения. Объем реализации «Миландра» вырос. Думаю, помогло то, что все три направления нашего бизнеса — продажи собственной продукции, ОКР и дистрибуция сработали одинаково хорошо. Кроме того, на рынке много компаний, у которых только одно из этих направлений развития. В результате кризиса у этих фирм снизился объем продаж, они сократили численность персонала, что, в свою очередь, привело к ухудшению качества обслуживания. Ухудшилось обслуживание — уменьшилась номенклатура, в результате чего погибли мелкие компании, следовательно, как бы заказчики ни дорожили своими поставщиками, они стали переходить к нам, увеличивая тем самым объем продаваемой «Миландром» продукции и услуг. — У вас выросли все три направления? — ОКР не могли сократиться, поскольку контракты были трехгодичные, и Министерство обороны оставило финансирование в полном объеме. Выплаты происходят два раза в год в размерах, соответствующих заключенным контрактам. Временные разрывы в платежах мы покрываем за счет продажи ЭКБ. Если считать в условных единицах, то продажи собственных изделий не выросли. Мы предполагаем, что рост собственной продукции за этот год

составит около 20% в рублях. А дистрибьюторская деятельность осталась в объемах прошлого года. — Поставляете ли вы продукцию для гражданского рынка? — Очевидно, что наша продукция предназначена в основном для промышленной электроники, а также для аппаратуры, эксплуатируемой в тяжелых условиях, но нас очень интересует массовый гражданский рынок. Мы работаем в этом направлении с несколькими предприятиями. Одно из них — ФГУП «Нижегородский завод им. Фрунзе». Это единственное предприятие в России, которое покупает наши изделия для электросчетчиков тысячами штук. Для них мы поставляем компоненты в пластмассовых корпусах. Разработка российская, технология немецкая, сборка китайская, а по стоимости эти изделия конкурируют с китайской продукцией, которая выросла в долларовом эквиваленте, тогда как наша — нет. — Существуют ли у вас планы выхода на открытый рынок? — Мы присматриваемся к нему, но опыт работы других российских компаний показывает, что это дело трудное и не всегда прибыльное. Как правило, все изделия, которые поставляет Россия на экспорт, относятся к дешевому сегменту рынка. Много средств приходится тратить на разработку, освоение производства, увеличение складских запасов. В результате предприятие начинает зависеть от китайских покупателей этих изделий. На тех рынках, на которых работают «Ангстрем», «Микрон», торговать очень рискованно — часто покупатели берут продукцию в долг, задерживают платежи, требуют уменьшения размера кристаллов за счет снижения качества, не возвращают долги. Если уже выходить на открытый рынок, то с изделиями сложными и дорогими, которые позволят предприятию получать достаточную прибыль. — Вы не боитесь работать на одного заказчика? — Не боимся. В России есть рынок микросхем, оцениваемый различными экспертами в 1 млрд долл. Речь идет о промышленной электронике, космосе, военной промышленности. На этом рынке мы хотим иметь долю хотя бы в 200 млн долл. — Вы занимаетесь и промышленной электроникой? — Да. У нас есть комплект микросхем, который можно применить в производстве изделий для грузового автомобильного транспорта и для РЖД. В такой аппаратуре используются микросхемы не с военной при-

электронные компоненты №12 2009

9 рынок

сти применения, например, нашей элементной базы, затем спроектировать изделие, найти все ошибки и откорректировать проект, на что требуется время. Инженер начинает искать готовые решения и в результате использует компоненты той компании, которая их предоставит. Следовательно, необходимость создания того или иного подразделения диктуется особенностями рынка. Чтобы быть успешным в продвижении собственной продукции на российском рынке, необходимо иметь мощные интерфейсы, которые стыкуют производство микросхем и аппаратуру.

емкой, но с тем же расширенным температурным диапазоном. Для работы с такими предприятиями очень важным является обеспечение высокой надежности и качества выпускаемых микросхем. — Как вы добиваетесь высокого качества собственной продукции? — С самого начала мы уделяли внедрению системы качества много внимания. Как и в других случаях, ставку сделали на высококвалифицированного сотрудника с длительным опытом работы и с хорошими лидерскими качествами. Александр Александрович Руднев — боевой комиссар нашей фирмы, который не только ставит процесс, но и обеспечивает его длительный цикл существования. Приятно знать, что наша система качества производства микросхем ничем не отличается, например, от системы на немецких предприятиях. Разработка стандартов, внедрение и постоянный контроль — основной профиль деятельности заместителя директора по качеству. Ранее он работал начальником отдела качества МЭПа. Мы не изобретали ничего нового, воспроизведя все то, что было отработано на советских предприятиях. Система качества охватывает весь цикл создания микросхемы от идеи до серийного производства. В технологическом цикле есть разрыв — мы отправляем наши разработки на чужое кристальное производство, а затем уже получаем пластины с готовыми структурами и корпусируем их на собственном производстве в металлокерамические корпуса.

рынок

— Как вы проверяете качество кристаллов? Отправляете обратно отбракованную продукцию? — Качество продукции проверяется путем тщательных измерений изделий при нормальных, низких и высоких температурах. После сборки изделие снова проходит специальные циклы измерений и испытаний. С браком по-разному бывает. Например, начав работать с германскими партнерами, мы запустили один из первых проектов и обнаружили, что наша схема не работает. Написали письмо: «У вас плохой блок флэш-памяти». Никакого ответа. И пока они не стали получать рекламации со своего рынка, на наши замечания не реагировали. В результате они признали свои ошибки. Сейчас они очень уважительно относятся к нашим замечаниям, а бывает, находят и наши ошибки в проектах. Вот почему приятно с ними работать. Совершенно другое качество обслуживания на китайских фабриках, где мы всегда виноваты.

www.elcp.ru

— Вернемся к вопросу о качестве. Многие наши компании отказываются от использования российских компонентов. Мы отстали навсегда, и уже ничего не изменишь? — Мне очень сложно ответить на этот вопрос так, чтобы никого не обидеть. Я по профессии технолог. Все оборудование на наших фабриках изжило свой срок. Кроме того, сокращение объемов производства приводит к снижению уровня требований. У каждого производителя появляются свои допуски, и, в конце концов, возникает брак. На многих отечественных предприятиях слабая служба качества. В ответ на замечания и рекламации производитель в авральном порядке как-то реагирует, но спустя время снова расслабляется. Одним из способов по восстановлению качества нашей продукции является импортозамещение с наращиванием объемов продаж при использовании существующих мировых технологий. Если мы выйдем на объем продаж хотя бы 100 млн долл. в год, то станет рентабельным и организация собственного производства пластин. — А как быть с проблемой окупаемости серийной продукции? Российской рынок электроники очень мал, и потому требуется выходить на зарубежные рынки, что едва ли по силам нашим компаниям. — Это заблуждение. Во-первых, большая серия нужна для того, чтобы окупить затраты на ОКР. В нашем случае ОКР оплачивает Министерство обороны, и эти самые дорогие затраты не ложатся на предприятие. В России государство оплачивает все разработки — так построена система. При таком подходе к делу и средней цене на микросхемы выгодным становится производство примерно от одной тысячи ИС в месяц. Если речь идет о дешевой продукции, то зачем ее делать, экспортировать, нести неоправданные затраты, когда иностранные компании продают нам дорогие изделия? Давайте научимся зарабатывать деньги на дорогой продукции. — Как Вы думаете — у нас должна быть своя, независимая российская электроника? Ведь нет, например, понятий «американская электроника», «японская электроника». — В этом отношении большую роль играет психология. На нашей фирме, например, даже молодые сотрудники считают, что мы должны быть независимы от западных производителей. Сегодня все западные компании переходят с пятивольтовой техники на трехвольтовую. Российские инженеры не скоро на нее перейдут. Это обстоятельство позволяет нам наращивать объемы, чтобы решить проблему.

Отечественные производители не смогут в ближайшее время заниматься бытовой микроэлектроникой — необходимо развивать те позиции, которые мы на сегодня еще удерживаем: военная техника, промышленное оборудование. Следует исходить из того, что мы можем, а делать эксклюзивные дорогие вещи мы можем и должны. Главное — не упустить самолетостроение, вертолетостроение, танкостроение, где используется качественная дорогая электроника. Независимость России в области электроники нужна, если это экономически выгодно. Надо считать. При наличии опыта и правильного подхода к делу можно сделать эффективным даже 90-нм производство. Все зависит от искусства управления. Примером служит и наш опыт. Когда мы приступили к созданию дизайн-центра, все спрашивали: «Где ты возьмешь разработчиков, идеи?». Они есть, их надо искать, в том числе за рубежом. — «Миландр» укомплек тован кадрами? — На сегодня та модель бизнеса, которую мы развивали, полностью обеспечена кадрами. Дальнейшее развитие возможно только с увеличением доходности нашего предприятия, которая напрямую зависит от продаж или целевого выделения денег государством. В таком случае нам придется закупить дополнительные площади, приобрести оборудование, пригласить специалистов. Развитие должно быть постепенным. У нас был период, когда из-за недостатка финансов мы не смогли поднять заработную плату до уровня, предлагаемого зарубежными компаниями, которые расположены в Зеленограде. Два ведущих инженера по аналоговым компонентам ушли во Freescale на большую зарплату. Сейчас эта проблема решена, оставшимся работникам мы подняли зарплату до уровня Freescale — по-другому не получается. С другой стороны, работа в «Миландре» привлекает инженеров тем, что у нас выстроена вся технологическая цепочка создания микросхем, в то время как большинство зарубежных компаний не работает в России по всей технологической цепочке. Инженерам интересно, когда изделие выходит на рынок, когда с ними работает потребитель, который говорит, что получилось плохо, а что — хорошо. Это очень сильно мотивирует наших сотрудников. Кроме того, мы выводим микросхемы на рынок под своим брендом. Наша цель, чтобы микросхемы под маркой «Миландра» вызывали восхищение у потребителей. — Какова роль «Миландра» в Ассоциации производителей электронной аппаратуры и приборов (АПЭАП)?

— Я принимал участие в создании ассоциации, был одним из ее учредителей. Потом мой голос потерялся в общем шуме, и мне стало там неинтересно. Мы являемся членами этой ассоциации, но в роли «спящих акционеров». — Раньше все было понятно: существовало министерство, подконтрольные институты, заводы. Нынешние министерства не знают частных компаний или не хотят знать. Кто в целом координирует деятельность? — Наверное, я покажусь ретроградом, отвечая на этот вопрос. К сожалению, в настоящее время в России для того, чтобы восстановить экономику, надо перейти к советской модели создания ВВТ. Никакие другие способы уже не помогут. Требуется жесткое централизованное управление, чтобы построить костяк. Другой вопрос, как распределить деятельность между частными и государственными предприятиями. Необходима экспертная оценка всей деятельности отрасли. Должно быть Министерство электронной промышленности, министерство самолетостроения и т.д. Демократия — это хорошо, но мы не доросли до нее. У нас нет фундамента в экономике, на основе которого работали бы частные инициативные молодые компании. Необходимо сформировать механизм разделения государственного и частного. Мы должны искать изюминку. — Почему этим не занимается АПЭАП? — Потому, что она сильно отклонилась в сторону лоббирования интересов контрактного производства.

— Ваше впечатление о недавно прошедшем форуме российских дистрибьюторов, участником которого Вы были. — Мне показалось, что когда наши дистрибьюторы начинали свою деятельность, они были независимыми и гор-

дыми людьми, а на форуме я увидел рабов, которые рассказывают иностранцам, как правильно вести себя на нашем рынке, чтобы их прибыль стала больше. Как только их научат всем особенностям работы на нашем рынке, история забудет о российских дистрибьюторах. Нас никто не сможет защитить. Те средства, которые так необходимы для развития, Россия никогда не получит, если двигаться в этом направлении. — Какие у «Миландра» планы? — Мы научились многое делать по востребованному ассортименту элементной базы. До конца года мы выпустим новые изделия, расширим номенклатуру. В принципе, «Миландр» в состоянии обеспечить 80% элементной базы по всем изделиям российских предприятий. Вопрос заключается в переходе на эти новые изделия. Экономика тоже должна расти. К сожалению, мы зависим от производства. Поэтому больше, чем элементная база, нас беспокоит сокращающаяся доля производства российских предприятий. Так происходит потому, что все считают, будто можно добиться успеха без борьбы, без изнуряющего ежедневного труда со школьной скамьи. Всему нашему народу не хватает воли — легче махнуть рукой и ничего не делать, надеясь, что как-нибудь вынесет. Мы так не хотим. Вся история нашей компании — это борьба за место под солнцем. Наша стратегия строится на том, что Россию ждет хорошее будущее. Мы прокладываем к нему дорогу своим трудом и предлагаем другим идти вместе.

События рынка

| Холдинг Kontron приобрел компанию DIGITAL-LOGIC, европейского производителя компактных защищенных встраиваемых плат и систем | Международный холдинг Kontron, ведущий мировой поставщик на рынке встраиваемых компьютерных технологий, приобрел контрольный пакет акций швейцарской компании DIGITAL-LOGIC AG. Компания DIGITAL-LOGICAL, расположенная в швейцарском Солотурне, специализируется на производстве компактных защищенных встраиваемых плат в стандартах PC/104, PC/104-Plus, PCI/104-Express и других, а также систем для жестких условий эксплуатации. Штат компании насчитывает более 100 сотрудников, а годовой доход составляет 15 млн. евро. Компактные защищенные компьютерные системы компании DIGITAL-LOGICAL используются в различных прикладных областях — государственном, транспортном, оборонном, медицинском и других секторах. Клиентами компании DIGITALLOGICAL являются известные мировые производители: Thales, NASA, Boeing, Bombardier, Mercedes, BMW и другие. Малогабаритные решения компании DIGITAL-LOGICAL для жестких условий эксплуатации хорошо дополнят существующие продуктовые линейки холдинга Kontron и расширят его продуктовое портфолио. Еще одним результатом приобретения контрольного пакета акций DIGITAL-LOGIC должно стать усиление присутствия Kontron в странах Центральной Европы и увеличение его доли на региональных рынках. Стратегическим партнером Кontron в России и странах СНГ является компания «РТСофт», которая успешно работает на рынке компьютерной автоматизации с 1992 г. Компания предлагает широкий спектр услуг, от поставки базовых аппаратных и программных средств и готовых программно-технических комплексов до консалтинга и реализации проектов под ключ в области автоматизации производственных и технологических процессов. Основными потребителями продукции и услуг ЗАО «РТСофт» являются системные интеграторы, производители серийного оборудования и конечные пользователи, работающие в топливно-энергетическом комплексе, в пищевой, металлургической, нефте-химической, авиационной промышленности, в сфере специальных применений, космических исследований, телекоммуникаций и жилищно-коммунального хозяйства. Приобретение DIGITAL-LOGIC холдингом Kontron «РТСофт» рассматривает как очень важный шаг по расширению имеющихся продуктовых линий для улучшения взаимодействия с собственными партнерами в СНГ. www.rtsoft.ru

электронные компоненты №12 2009

11 рынок

На кухне всем кажется, что они могут быть крупными руководителями, лучше построить процесс управления. Когда же они получают возможность это доказать на деле, оказывается, что их интересует совершенствование того, что они лично могут делать, а широкое видение отсутствует. Искусство заключается в умении слушать других. По идее, асcоциация могла бы четко расставить все по местам между частными компаниями, контрактными производителями и потребителями. Весь вопрос в том, что каждый в этой цепочке должен осознать, что сегодня ему следует платить дороже за отечественные, чем за импортные компоненты, потому что завтра производство станет больше, и стоимость снизится. Ассоциация этого не поняла и занялась оптимизацией прибыли контрактников. Если они добьются отмены пошлины на элементную базу, пройти таможню станет просто. Иностранные компании построят у нас склады и вытеснят всех российских дистрибьюторов до одного. Все словно обезумели: сами помогают тому, чтобы их скорее уничтожили. Я в этих процессах не участвую. Чем дольше таможенные заборы простоят, тем больше вероятность того, что наша компания разовьется.

События рынка

| «Совтест АТЕ» во второй раз демонстрирует свои разработки на выставке Productronica | С 10 по 13 ноября 2009 г. в Мюнхене (Германия) прошла крупнейшая международная выставка Productronica, где «Совтест АТЕ» уже во второй раз представлял свою продукцию. Productronica — единственная выставка, представляющая мир электронной промышленности во всей его полноте. Демонстрируются все фазы индустриального процесса — от разработки до производства готового изделия. В этом году помимо основных разделов, например «PCB и производство печатных плат», «Тестирование и измерения», «Проверка качества», «Производство и обработка провода», были представлены такие актуальные направления как нанотехнологии, фотовольтаика, EMS и гибридно-составляющее производство. В этом году выставка привлекла 1126 компаний-участниц, из которых 24 участвовали впервые (в 2007 г. эти показатели составили 1452 и 52, соответственно). Не стало сюрпризом и уменьшение количества посетителей с 40 тыс. в 2007 г. до 28 тыс. в нынешнем, причиной чему послужило, прежде всего, сокращение командировочных расходов компаний под влиянием неблагоприятной экономической ситуации в мире. С другой стороны, это привело к увеличению доли руководящего состава компаний, т.е. тех, кто непосредственно принимает решения (с 88% до 91%). Процентное соотношение топ-менеджмента компаний также возросло с 15 до 19%. Традиционно выставка демонстрирует все самые инновационные достижения мировой электронной промышленности. К сожалению, в этом году дефицит в бюджетах компаний сказался и на количестве, и на качестве новых разработок. Тем не менее многие участники демонстрировали новые решения. Компания «Совтест АТЕ» представила на выставке свою новую разработку — тестер проводного монтажа и печатных плат STC-1000 — высокопроизводительный тестер, предназначенный для обнаружения и локализации дефектов собранных автомобильных жгутов и проверки их электрических параметров. Кроме того, на стенде компании был продемонстрирован функциональный тестер FT-17 и хит продаж — локализатор неисправностей на компонентном уровне SFL 3000. На выставке работали коллективные стенды многих стран, среди которых стенды Германии, Франции, Румынии, Индии, США и др. Минпромторгу РФ стоило бы взять пример с этих стран и организовать на выставке коллективный российский стенд. Это оказало бы куда более прочную поддержку российским производителям, нежели призрачные федеральные целевые программы и всевозможные дотации, т.к. позволило бы привлечь дополнительное внимание к российскому рынку электроники, а также средства инвесторов. В этом году Россию на собственных стендах смогли представить только две компании — ООО «Совтест АТЕ» (Курск) и ОАО «БНТ Прибой» (Санкт-Петербург). И в качестве субэкспонента на стенде партнера была представлена еще одна российская компания — ЗАО «Предприятие Остек» (Москва). Участие в выставке Productronica позволило ООО «Совтест АТЕ» заключить ряд контрактов на поставку локализаторов неисправностей в зарубежные страны. Кроме того, были проведены технические переговоры по тестерам функционального контроля и тестерам проводного монтажа — по некоторым проектам ожидается подписание контрактов. Интерес к разработкам «Совтест АТЕ» позволил понять, что оборудование, производимое компанией, полностью соответствует международному уровню, не уступает зарубежным аналогам и реализуется по значительно более низким ценам. Высочайшее качество оборудования достигается обязательным пооперационным тестированием на всех этапах производства и заключительными испытаниями на устойчивость к климатическим и механическим воздействиям. www.sovtest.ru

новос ти

| SIMCOM выбрала официального дистрибьютора в России | Крупнейший мировой производитель коммуникационных модулей — компания SIMCOM — выбрала нового официального дистрибьютора в России — компанию «Макро Групп» (Санкт-Петербург). Компания SIMCOM входит в группу компаний SIM Technology Group Limited (SIM Technology) — ведущего китайского разработчика и производителя мобильных телефонов, коммуникационных модулей и ЖК-дисплеев. SIMCOM специализируется на разработках мобильных телефонов и беспроводных GSM/GPRS/EDGE-модулей. Ключевым направлением деятельности «Макро Групп» являются поставки компонентов в области беспроводной связи и навигации. Линейка навигационных продуктов, поставляемых «Макро Групп», включает GSM/GPRS/EDGE-модули Simcom, GPS-приемники Leadtek и Orcam, ГЛОНАСС/GPS-оборудование ОАО «Ижевский Радиозавод» и ЗАО «КБ НАВИС», навигационные антенны от 2J-antennae, прецизионное оборудование американской компании JAVAD Navigation Systems и другую продукцию. Еще в 2006 г. компания «Макро Групп» начала осуществлять поставки модулей SIMCOM на российский рынок, и исторически она является одним из первых дистрибьюторов Simcom в России. В настоящее время «Макро Групп» обеспечивает заказчикам оптимальные условия поставок и технического сопровождения продукции Simcom: – официальный канал поставки и гарантированное качество модулей; – гарантированные сроки поставки и низкие цены; – постоянно пополняемый складской запас модулей; – техническую поддержку с привлечением специалистов SIMCOM; – информационную поддержку по новым версиям встроенного ПО; – возможность заказа модемов с любой версией встроенного ПО: стандартной или заказной; – поставку модулей в комплексе с аксессуарами: держателями SIM-карт, кабельными переходниками, антеннами. www.macrogroup.ru

www.elcp.ru

Тепловой расчет устройств силовой электроники. Часть 1 Владимир Кондратьев, инженер-разработчик В первой части статьи рассматриваются рабочие характеристики повышающего преобразователя для питания сильноточных белых светодиодов и стандартного силового дросселя в условиях высоких температур. На этих примерах подробно обсуждаются методы расчета и измерения теплового сопротивления и теплоемкости подобных устройств относительно окружающего воздуха.

Импульсный источник питания и силовой дроссель

Рассмотрим рабочие характеристики импульсного источника питания и стандартного силового дросселя в условиях высоких температур. Избыточный нагрев от внешней среды или в результате рассеивания мощности внутри самой системы может изменить характеристики электронных компонентов, вызвать остановку и даже сбой в работе системы. Устройства по управлению питанием довольно-таки часто сталкиваются с этими проблемами, т.к. рассеивание мощности между входом системы и нагрузкой приводит к нагреву устройства. Это тепло следует отводить от системы либо в сторону платы и расположенных поблизости компонентов, либо в окружающую среду. Даже при использовании импульсных источников питания с традиционно высоким КПД при проектировании печатной платы и выборе внешних компонентов следует учитывать температурные условия. Разрабатывая цепь управления питанием, необходимо еще до температурного расчета понять в целом, как происходит теплопередача в системе. Известны три механизма теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. В электронных системах тепло от печатных плат, главным образом, передается за счет явления теплопроводности и в меньшей степени — путем конвекции.

Следующая формула описывает количество переданного тепла за счет явления теплопроводности: H = K∙S∙(Tвыс– Tниз)/d, где H — скорость передачи тепла, Дж/с; K — теплопроводность материала; S — площадь тела; (Tвыс – Tниз) — разница температур; d — расстояние. Уравнение для скорости переданного тепла можно распространить на электрическую цепь по электротепловой аналогии, в которой источником тепла Н выступает источник тока; разности температур между устройствами соответствует падение напряжения, а обратная величина теплопроводности (K∙S)/d становится термосопротивлением, выраженным в °C/Вт. Условное обозначение термосопротивления — RA-B, где А и В — два устройства, между которыми распространяется тепло. По аналогии уравнение теплового потока для электрической цепи выглядит следующим образом: P = (Tвыс – Tниз)/Rвыс-низ. Эту аналогию можно распространить и на описание другого теплового параметра устройства — теплоемкости. Если тепловое сопротивление уподобить электрическому сопротивлению, то теплоемкости (C T, Дж/°C) можно сопоставить электрическую емкость. Таким образом, полное тепловое сопротивление (Z T) определяется параллельно соединенными теплоемкостью и тепловым сопротивлением. Упрощенная RC-модель передачи тепла за счет явления теплопроводности показана на рисунке 1. Источник рассеиваемой мощности выступает в роли источника тока, а полное тепловое сопротивление представляет собой параллельно включенные C T и RT. В электрических цепях каждый тепловой интерфейс характеризуется полным тепловым сопротивлением, зависящим от материала, геометрии устройства, его размеров и положения. В полупроводниковом устройстве суммарное тепловое сопротивление между кристаллом и окружающим воздухом, или ZК-В, представляет собой

сумму тепловых сопротивлений каждого отдельного материала, входящего в состав конструкции. Рассмотрим дискретный МОПтранзистор, установленный на печатной плате. Полное тепловое сопротивление в установившемся режиме (или тепловое сопротивление RК-В) является суммой тепловых сопротивлений между кристаллом и корпусом устройства (RК-К), корпусом и теплоотводом (RК-Т) и теплоотводом и воздухом (RК-В): RК-В = RК-К + RК-Т + RТ-В. Кроме того, следует учесть и возможный параллельный тракт распространения тепла от кристалла МОП-транзистора через корпус на печатную плату и далее в воздушную среду. Обычно информация о тепловой характеристике перехода кристаллкорпус предоставляется производителем полупроводников. С другой стороны, значения RК-Т и RТ-В, главным образом, зависят от свойств теплоотвода и печатной платы. Множество факторов влияет на значения тепловых сопротивлений RК-В или RК-Т, в т.ч. количество слоев ПП, количество сквозных отверстий, ведущих на дополнительные уровни, близость к другим устройствам и скорость движения воздушного потока. Зачастую значение RК-В приводится в списке технического описания устройства, но это значение измеряется в определенных условиях тестирования платы и годится для сравнения между устройствами только в том случае, если измерения выполняются в равных условиях. Тепловое сопротивление RК-В является важным параметром при выборе электронных ком-

Рис. 1. Упрощенная модель полного теплового сопротивления

электронные компоненты №12 2009

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

Известно, что даже у высокоэффективных цепей управления питанием имеются свои ограничения: при большей выходной мощности бóльшая мощность рассеивается на источнике тока и соответствующих внешних компонентах. В этих условиях требуется правильно выбрать компоненты и произвести оптимальное проектирование печатной платы, чтобы избежать превышения предельной рабочей температуры кристалла и чрезмерного разогрева компонентов.

понентов, т.к. оно является мерой того, насколько большой может оказаться рассеиваемая устройством мощность при определенном состоянии окружающей среды и компоновки ПП. Другими словами, это значение позволяет оценить рабочую температуру кристалла на основе состояния внешней среды и рассеиваемой мощности. Рассеивание тепла

В качестве примера теплового расчета для цепи управления энергопотреблением рассмотрим схему LM3554 (см. рис. 2). Это устройство является индуктивным повышающим преобразователем для высокомощных флэш-светодиодов, используемых в приложениях для мобильных телефонов. ИС LM3554 — хорошее средство для тестирования, т.к. оно имеет малые размеры (1,6×1,6×0,6 мм) и обеспечивает выходную мощность до 6 Вт (при токе 1,2 А и напряжении светодиодов 5 В). Даже при 85-% КПД относительно высокая выходная мощность и миниатюрный SMD-корпус с 16-ю столбиковыми выводами делают это устройство приемлемым для работы при высоких температурах. В первую очередь эффекты рассеивания тепла от микросхемы LM3554 приводят к повышению сопротивления ее ключей в открытом состоянии и изменению порогов срабатывания. В случаях, когда температура значительно повышается, может сработать тепловая защита, и устройство отключится. Знание точного значения RК-В позволяет определить температуру кристалла устройства, работающего с заданной мощностью, и обеспечить надежное и предсказуемое функционирование цепи в соответствии с требованиями приложения. Рассмотрим вероятный сценарий, в котором входное напряжение устройства и напряжение све-

тодиода составляет 3,6 В, а протекающий через светодиод ток равен 1,2 А. В этом случае преобразователь повышает выходное напряжение на 300 мВ относительно VВх. Эта разность в 300 мВ между двумя параллельными источниками тока позволяет регулировать ток светодиода. Общее падение мощности на устройстве является суммой падения мощности на синхронных p-, n-МОП-ключах и двух источниках тока. Падение мощности на p- и n-МОП-ключах происходит на резистивных компонентах, поэтому для точной оценки мощности необходимо использовать среднеквадратичное значение тока. Этот ток представляет собой среднеквадратичный ток дросселя, умноженный на коэффициент заполнения, когда замкнуты ключи p- и n-МОП. При известном КПД преобразователя коэффициент заполнения D = VВх∙КПД/VВых. В нашем случае VВых = Vсвет + 300 мВ, а КПД = 90%. Таким образом, коэффициент заполнения ключа p-МОП равен (1 – D) = 83%, а n-МОП — 17%. Уравнение для вычисления среднеквадратичного значения тока дросселя:

где Iср.др.DC — среднее значение тока дросселя, определяемое по формуле Iср.др.DC = Iсвет/(1 — D); ∆Iдр. — размах тока дросселя, приблизительно равный в данном случае 140 мА. Потеря мощности для ключа n-МОП (RDS(ON) = 125 мОм) равна 45 мВт, а для p-МОП (RDS(ON) = 152 мОм) — 265 мВт. Кроме того, на источниках тока падение мощности составляет 300 мВ ∙ 1,2 А = 360 мВт. Таким образом, суммарное рассеивание мощности — 668 мВт. В техническом описании значение R К-В равно 60°C/Вт. Оно было получено в результате тестового испытания

JEDEC для четырехслойной платы в соответствии со стандартом JESD51-7. Используя это значение R К-В, температура кристалла при T В = 50°C предположительно составляет 83,4°C. Это значение не является критичным для устройства, т.к. оно ниже порога срабатывания тепловой защиты при 150°C и ниже 125°C — максимальной рабочей температуры кристалла, указанной в техническом описании на LM3554. В другом сценарии для LM3554 можно задать стабилизированное выходное напряжение 5 В во время одного и того же светового импульса. Разность между номинальным и максимально допустимым значением напряжения для источника тока с 300 мВ увеличивается до 5 В – 3,6 В = 1,4 В, в результате чего мощность рассеивания для него составит 1,68 Вт. Считая, что КПД устройства по-прежнему равен 90%, напряжение — 5 В при токе 1,2 А, а коэффициент заполнения 35,2%, постоянный ток дросселя составляет 1,85 А, а ∆IL — 288 мА. Мощность рассеивания на n-МОП в данном случае равна 151 мВт, а на p-МОП — 338 мВт. При суммарном рассеивании внутренней мощности 2,169 Вт оценочная температура кристалла (при TВ = 50°C) равна 180°C, что на 30°C выше порога срабатывания тепловой защиты и на 55°C выше максимальной рабочей температуры кристалла. В действительности, это устройство установят не на тестовую плату 4LJEDEC, а на какую-то другую плату с другими расположенными поблизости компонентами и с иным числом сквозных отверстий, ведущих на нижние слои. Все эти переменные параметры, помимо многих других, существенно влияют на значение RК-В, что, в свою очередь, приводит к снижению точности вычислений температуры кристалла. Измерение полного теплового сопротивления

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. Тестовая схема драйвера флэш-светодиодов LM3554 компании National Semiconductor

www.elcp.ru

Для реальной цепи требуется знать точное значение RК-В. Среди различных методов его измерения используется отключение системы при достижении теплового порога, установленного на 150°C. При измерении RК-В мы исходим из того, что величина рассеиваемой мощности (Ррасс) преобразователя LM3554 известна, а температура окружающего воздуха медленно растет до тех пор, пока устройство не отключится. Устройство снабжено флажковым индикатором, порог срабатывания которого устанавливается с помощью I2C-совместимого интерфейса. Индикатор возвращается в состояние «1» при достижении порога

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

срабатывания тепловой защиты. В этом методе значение RК-В рассчитывается по формуле RК-В = (150°С — ТВ)/Ррасс. Во втором методе измеряется зависимость от температуры значения VF одного из диодов защиты от электростатического разряда (ЗЭР). Эта процедура немного сложнее предыдущей, но с ее помощью достигается более точный результат, т.к. устанавливается значение Vвсп во всем температурном диапазоне. Диоды для защиты от электростатического разряда с заземленными анодами имеются на всех выводах большинства полупроводниковых устройств. При тестировании LM3554 измеряется малый (<10 мA) ток на выводе LEDI/NTC в зависимости от меняющейся температуры. Максимально допустимое напряжение на каждом выводе составляет –0,3 В, но это значение определяется напряжением Vвсп диода ЗЭР при максимально допустимой температуре кристалла 150°C. Если ограничить ток величиной менее 10 мА, устройство не подвергнется саморазогреву и риску разрушения. Результаты измерения на этом выводе описываются линейной характеристикой в диапазоне 25…125°C с углом наклона около 1,3 мВ/°C. Таким образом, можно использовать это устройство при известной мощности рассеивания, измеряя Vвсп отдельного диода. Когда диод достигает устойчивого состояния, RК-В = (Vвсп@ТВ — Vвсп@УР)/1,3 мВ/°C∙Ррасс, где Vвсп@ТВ — напряжение на диоде Vвсп при TК = TВ, а Vвсп@УР — напряжение Vвсп на диоде ЗЭР в установившемся температурном режиме при рассеиваемой мощности Ррасс. Наконец, в третьем методе используется зависимость сопротивления в открытом состоянии МОП-транзистора от температуры. В этом методе задействуется внутренний ключ p-МОП, пока устройство работает в режиме пропускания. В данном режиме устройство прекращает переключаться и включает синхронный ключ p-МОП. Так происходит, если VВх начинает превышать VВых на 150 мВ. В этот момент преобразователь прекращает повышать VВых, и p-МОП пропускает VВх непосредственно на выход.

Из-за того, что R DS(ON) МОПтранзистора в небольшой степени зависит от тока, необходимо измерять сопротивление ключа p-МОП при токе, значение которого приближается к величине тока вспышки. Проблема с большими испытательными токами заключается в том, что они разогревают устройство. От этого эффекта можно избавиться, установив продолжительность времени между вспышками минимум на 32 мс и измеряя на осциллографе падение напряжения на p-МОП. При токе вспышки величиной 1,2 А угол наклона кривой составляет 0,42 мОм/°C в диапазоне 25…125°C. Следует заметить, что при этом p-МОП питается от вывода VВых, и при VВых = 5 В сопротивление в открытом состоянии меньше, чем при VВых = 3,9 В. Результаты применения этих трех методов при мощности Ррасс = 1,67 Вт следующие: в первом методе RК-В = 45°C/Вт; во втором этот параметр равен 42°C/Вт; в третьем — 48°C/Вт. На рисунке 3 показаны кривые RDS(ON) ключа p-МОП и Vвсп диода ЗЭР на выводе LEDI/NTC при тестовом токе 0,865 А через флэш-светодиод. VВх этого устройства составило 5 В, а время между импульсами — 1,024 мс; Vсвет равнялось 3,18 В, что заставило устройство перейти в режим пропускания. В этом режиме рассеивание мощности целиком связано с ключом p-МОП и источником тока. В устойчивом режиме Vвсп диода ЗЭР составило –622 мВ, что соответствовало температуре кристалла в 95,2°C при температуре окружающего воздуха 25°C. В установившемся режиме измеренное значение RDS(ON) ключа p-МОП составило 154 мОм, что соответствовало температуре кристалла 105°C. На рисунке 3 также проиллюстрировано поведение кривой теплоемкости преобразователя LM3554. Зависимость Vвсп и Rp-МОП имеет экспоненциальный вид в соответствии с уравнением T(t) = ТВ + Ррасс∙RT∙[1–e–t/(RT∙C T)]. Результирующие теплоемкости равны 0,009 Дж/°C при использовании в расчете величины падения напряжения на открытом диоде ЗЭР и 0,0044 Дж/°C — при использовании в расчете сопротивления в открытом состоянии ключа p-МОП. Разница в

Рис. 3. Кривые RDS(ON) ключа p-МОП и Vвсп диода ЗЭР на выводе LEDI/NTC преобразователя LM3554 при вспышке

www.elcp.ru

показаниях объясняется градиентами температуры на устройстве. Ключ p-МОП, находящийся в непосредственной близости от источников тока, демонстрирует бóльшую скорость нарастания температуры и имеет бóльшую температуру, чем диод ЗЭР на выводе LEDI/NTC, расположенный дальше от силовых устройств микросхемы. Разница в показаниях температуры обусловлена наличием теплового сопротивления и теплоемкости между двумя точками измерения на кристалле устройства. Кроме того, характеристики в обоих случаях имеют приблизительно экспоненциальный вид с общей временнóй константой. На практике показание рассеянной мощности немного другое из-за нагревания ключа p-МОП и источников питания, что приводит к небольшому росту Ррасс с повышением температуры кристалла. Модель полного теплового сопротивления позволяет лучше оценить рабочие параметры импульсных устройств, в частности драйверов флэш-светодиодов, чем модель теплового сопротивления. Например, если ток вспышки равен 1,2 А, V Вх = 5 В и Vсвет = 3,4 В, мощность рассеивания устройства в режиме пропускания составит 2,14 Вт. При R К-В = 48°C/Вт и температуре окружающего воздуха 50°C модель установившегося режима позволяет получить температуру кристалла величиной 153°C, что на 28°C выше максимального значения рабочей температуры кристалла. Учитывая, что теплоемкость равна 0,0044°C/Дж, а продолжительность импульса вспышки — 200 мс, мы получим лучшую оценку температуры кристалла — около 113°C. Зависимость сопротивления обмотки дросселя от температуры

Расчеты для преобразователя LM3554 можно распространить и на силовой дроссель для LM3554. Избыточное тепло, рассеиваемое на нем, изменяет характеристики устройства и приводит к непредусмотренному функционированию как дросселя, так и источника питания. В целом воздействие избыточной температуры на силовой дроссель вызывает увеличение сопротивления обмотки по постоянному току и снижение предела насыщения тока. Сопротивление дросселя по постоянному току изменяется с температурой в соответствии с температурным коэффициентом удельного сопротивления катушки дросселя. Как правило, катушка дросселя сделана из меди, температурный коэффициент удельного сопро-

тивления (α) которой равен 3,9 мОм/°C. Уравнение для сопротивления обмотки выглядит следующим образом: R = ρ∙l/S∙(1 + α∙[T – 25°C]), что эквивалентно 0,39%/°C. В оценочном комплекте для преобразователя LM3554 указан дроссель FDSE0312-2R2 компании Toko. При TВ = 25°C измеренное значение сопротивления составляет 137 мОм. При 85°C сопротивление становится равным 50°C ∙ 0,39%/°C = 19,5% (или 164 мОм). При среднеквадратичном значении тока дросселя 2 А и VВх = 3,6 В изменение сопротивления дросселя приведет к снижению КПД примерно на 1,5%. Насыщение дросселя

Возможно, самый большой недостаток силового дросселя при высокой температуре — уменьшение номинального тока насыщения. При больших среднеквадратичных токах внутреннее рассеивание мощности приводит к повышению температуры дросселя, в результате чего снижается его точка насыщения. При насыщении материал сердечника дросселя достигает такого состояния, когда плотность магнитного потока перестает расти пропорционально напряженности магнитного тока и увеличивается лишь незначительно. На экране осциллографа видно, что угол наклона тока дросселя импульсного стабилизатора растет по мере перехода устройства в режим насыщения, что эквивалентно уменьшению индуктивности. Рост тока пульсаций приводит к увеличению среднеквадратичного значения тока и потерь дросселя на переключение, что в совокупности вызывает потери мощности на дросселе и снижение КПД. У дросселя может быть скачкообразная характеристика насыщения в определенной точке или плавная характеристика, как в случае с дросселем FDSE0312-2R2. Тем не менее производители дросселей обычно указывают такую точку насыщения, в которой происходит резкое снижение индуктивности при определенном токе и температуре. На рисунке 4 показан пример дросселя, работающего в режиме насыщения. В этом примере используется дроссель VLS4010-2R2 (2,2 мкГн) компании TDK, значение индуктивности которого резко снижается при насыщении. Данный эффект наблюдается при работе повышающего преобразователя LM3554 с минимальной продолжительностью вспышек — 32 мс. Малая ширина импульсов способствует ограничению саморазогрева дросселя и позволяет управлять его температурой путем регулирования температуры извне. На диаграмме в верхнем левом углу рисунка 4 отражена работа дросселя ниже точки насыщения, о чем свидетельствует треугольная форма сигнала.

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. 4. Пример использования дросселя VLS4010-2R2 (2,2 мкГн) компании TDK

электронные компоненты №12 2009

Рис. 5. Тепловая характеристика дросселя VLF4010ST-2R2 при броске тока 1,65 А DC

После 50°C (см. верхний правый угол рисунка 4) угол наклона кривой тока дросселя начинает увеличиваться, достигая значения 1,76 А. Это указывает на то, что точка насыщения дросселя сместилась вниз. Когда температура достигает значения 70, а затем 85°C, сигнал тока свидетельствует о насыщении дросселя. Оценка температуры дросселя

Вклад в повышение температуры дросселя вносят различные факторы, в т.ч. температура окружающей среды, полное тепловое сопротивление дросселя и рассеивание мощности внутри него. Используя эффект изменения сопротивления дросселя по постоянному току, можно с хорошей точностью оценить рабочую температуру дросселя. Этот метод схож с применением диода ЗЭР или сопротивления R DS(ON) ключа p-МОП в том, что дроссель выступает в качестве термометра. С помощью уравнения, описывающего зависимость сопротивления дросселя от температуры, для ∆T получаем следующее соотношение: ∆T = (R2/R1 – 1)/α. Пример теста с использованием дросселя VLS4010ST-2R2 в цепи LM3554 при бро-

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

ске тока 1,65 А DC показан на рисунке 5. Сопротивление дросселя при комнатной температуре составляет 65 мОм. Через 30 с устройство достигает установившегося значения 73 мОм, соответствующего рабочей температуре около 56°C. По определению, тепловое сопротивление RT = (Tвсп – ТВ)/(IDC2∙R Д@Tвсп), т.е. рассеивание мощности на дросселе зависит от его сопротивления, которое меняется с температурой. Таким образом, необходимо выполнить расчет температуры Tвсп дросселя при заданном RT. Подставив уравнение для RT в формулу зависимости сопротивления дросселя от температуры, получаем для Tвсп = (ТВ – ТВ∙α∙k + + k)/(1 – α∙k), где k = IД2∙R@ТВ∙ RТ. Из рисунка 5 также видно, что эквивалентный рост температуры дросселя имеет приблизительно экспоненциальную зависимость от времени первого порядка — T(t) = ТВ + Ррасс∙RT∙[1–e–t/(RT∙CT)]. Знание величины полного теплового сопротивления дросселя в примере с драйвером для флэш-светодиодов позволяет лучше оценить работу устройства. Поскольку дросселю требуется достаточно большое время для достижения установившейся температуры,

по сравнению с продолжительностью вспышки (менее 1 с), оценка рабочей температуры при полном токе вспышки и тепловом сопротивлении в установившемся режиме с большой вероятностью оказывается завышенной. Возможно, это происходит из-за того, что в таком импульсном устройстве как драйвер флэш-светодиода используется дроссель меньших габаритов, чем в источнике питания в стационарном режиме. Рассмотренные примеры демонстрируют лишь несколько из многих методов измерения температуры на примере микросхемы и выбора для нее теплового сопротивления. Точное знание температуры устройства наряду с величиной рассеиваемой им мощности позволяет произвести верный расчет теплового сопротивления. После определения теплового сопротивления поэтапное изменение рассеиваемой устройством мощности и отслеживание его температуры позволяет рассчитать теплоемкость устройства и получить более точную оценку изменения его температуры в переходных процессах. Данные примеры теплового расчета для сильноточного флэш-драйвера белого светодиода в равной степени пригодны в отношении других устройств по управлению энергопотреблением — как импульсных, так и тех, которые функционируют в течение более продолжительных периодов времени.

Литература 1. Travis Eichhorn. Things to keep in mind when designing power management circuitry//www.powermanagement-europe. com/showArticle.jhtml;jsessionid=WJGR0Z N3O10O3QE1GHPCKH4ATMY32JVN?articleI D=220700246.

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| Два года назад Honeywell торжественно отпраздновала 75 лет со дня появления легендарной технологии MICRO SWITCH ™ (выключатель мгновенного действия) | Технология MICRO SWITCH™ была изобретена в 1932 г. и своим появлением сразу же подхлестнула процесс миниатюризации существовавших тогда электронных устройств. До MICRO SWITCH™ ни один из существовавших в то время переключателей не обладал такой высокой надежностью в сочетании в малым весом и габаритами. Современные технологии лишь улучшили применяемые в MICRO SWITCH™ материалы, мало что добавив к идее механического конструктива. За прошедшие три четверти века MICRO SWITCH™ смело шагнул в сферу высоких технологий, и если первый в истории переключатель MICRO SWITCH™, известный как Large Basic, применялся всего лишь для контроля температуры в инкубаторе на ферме, то в 1975 г. переключатели MICRO SWITCH™ использовались уже в работе автоматической межпланетной станции Viking, впервые в истории осуществившей посадку на поверхность Марса и работавшей на расстоянии в 505 млн миль от Земли. Переключатель MICRO SWITCH™ использовался тогда на борту Viking в устройстве взятия пробы марсианского грунта для последующего анализа его химического состава и возможного присутствия в нем микроорганизмов. В настоящее время Honeywell производит более 120 млн переключателей MICRO SWITCH™ в год для аэрокосмической, оборонной, автомобильной и медицинской промышленностей. Современная продуктовая линейка переключателей компании Honeywell, выполненных по этой технологии, включает в себя, среди прочих, такие широко применяемые компоненты как переключатели субминиатюрного и миниатюрного типов, концевые выключатели, тумблеры и переключатели типа «качающаяся кнопка». В России и СНГ переключатели MICRO SWITCH ™ можно приобрести у дистрибьютора Honeywell, компании «Компэл». www.honeywell.com/sensing

www.elcp.ru

Введение в проектирование маломощных схем Дэвид Кац (David Katz), Рик Джентайл (Rick Gentile), техн. специалисты, Analog Devices В статье рассматриваются факторы, влияющие на энергопотребление, и способы снижения потребляемой мощности. Основное внимание уделяется процессору и его окружению, т.к. именно эти компоненты потребляют большую часть мощности. Кроме того, обсуждаются вопросы выбора процессора. Введение

Э н е р го с б е р е ж е н и е

Разработка встраиваемых систем считается незаконченной до проведения тщательного анализа энергопотребления. Этот этап важен и для систем с питанием от сети, не говоря уже об устройствах с батарейным питанием. Энергопотребление влияет на температуру, размеры устройства и на стоимостные аспекты во всех этих случаях. Прежде всего, следует уточнить, что такое «низкое энергопотребление». Во встраиваемых системах это определение относительно. К малопотребляющим устройствам относятся те, которые работают, например, от часовой батарейки. На другом конце шкалы — устройства с сетевым питанием, потребляемую мощность которых следует снизить для того, чтобы не применять радиаторы, вентиляторы, стабилизаторы напряжения и т.д. Современные требования отрасли таковы, что многие, не только портативные устройства, должны иметь весьма ограниченный бюджет энергопотребления. Существует множество способов снизить энергопотребление устройства, среди которых следующие: – динамическое изменение частоты процессора и напряжения питания; – снижение потребления отдельных блоков процессора; – оптимизация кода, направленная на снижение энергопотребления; – использование режимов пониженного энергопотребления процессора; – учет энергопотребления различных частей системы в целом. Мы рассмотрим два последних метода. Режимы энергопотребления

Во многих случаях используются различные режимы энергопотребления процессоров, в зависимости от требуемой производительности. Рассмотрим, например, датчик со встроенным процессором, питающимся от батареи. Подключенный к процессору преобразователь оцифровывает некий параметр. Процессор простаивает до тех пор, пока внешняя периферия не накопит некоторого количества данных. Таким образом, процессор может находиться в спящем

www.elcp.ru

режиме во время сбора данных. Как только периферия накопила достаточно данных, процессор просыпается и переходит в режим максимальной производительности. Кроме того, он может переходить в режим ультранизкого энергопотребления, если сбор данных не производится вовсе и их обработка не требуется. Выход из режима пониженного потребления может осуществляться по различным сигналам: по внешнему сигналу, поданному на вход, или по внутренним сигналам, например по завершению передачи данных по DMA либо по сигналу таймера. Известны следующие режимы энергопотребления: – режим полной производительности; – режим ожидания, в котором встроенная память процессора находится в готовности быстро включиться, а его неиспользуемые узлы отключены; – режим спячки, в котором внутренняя память процессора отключена. Для удобства мы разделим малопотребляющие встроенные системы на три различные категории. Первая — маломощные встроенные системы, которые постоянно находятся в работающем состоянии. Их энергопотребление зачастую не превышает 1 мА, что ограничивает возможную производительность процессора. Примеры таких устройств — наручные часы и имплантируемые медицинские устройства. Вторая категория — системы, которые могут находиться в рабочем состоянии или в режиме ожидания. Для них важным параметром является и ток в рабочем режиме, и ток в режиме ожидания. Ток в активном режиме может составлять десятки или сотни миллиампер, в зависимости от приложения. Ток в режиме ожидания в типичном случае составляет от микроампер до нескольких миллиампер. Пример таких устройств — сотовые телефоны или устройства, активируемые голосом. Третья категория — это устройства, которые могут быть полностью включены или полностью отключены. К ним относятся портативные медиаплееры, навигаторы GPS, цифровые камеры. В таких устройствах продолжительность

жизни батареи полностью определяется энергопотреблением в активном режиме. Ток в режиме ожидания пренебрежимо мал (лишь несколько микроампер, которые потребляют часы реального времени). Как и во второй категории, энергопотребление в активном режиме может составлять от десятков миллиампер до нескольких сотен миллиампер, в зависимости от приложения. Режим ожидания

Под режимом ожидания подразумеваются различные малопотребляющие режимы, позволяющие быстро переключиться в активное состояние в случае необходимости. Чем ниже энергопотребление, тем большее время требуется для перехода в активный режим. Мы используем термин «режим ожидания» для обозначения всех подобных малопотребляющих состояний. Переведя процессор в режим ожидания, можно уменьшить энергопотребление и увеличить время жизни батареи. В таких режимах процессор обычно сохраняет все внутренние состояния и содержимое памяти, т.к. эти блоки по-прежнему запитаны при значительно сниженном энергопотреблении всей системы. Кроме того, процессор может проснуться за микросекунды, что гораздо быстрее, чем обычный запуск процессора из холодного состояния. Режим спячки

Режим спячки (hibernate mode) можно считать предельным случаем режима ожидания. Режим спячки позволяет понизить энергопотребление до минимума за счет полного выключения ядра процессора при включенной встроенной памяти. В отличие от других режимов ожидания, в состоянии спячки не сохраняется внутреннее состояние процессора, поэтому вся критичная информация из памяти, регистров и т.д. должна быть сохранена в энергонезависимой памяти до перехода в этот режим. Однако режим спячки может обеспечивать поддержание памяти SDRAM в рабочем состоянии, несмотря на то что ядро процессора выключено. Путем перевода памяти SDRAM в режим самообновления (self-refresh mode) перед отключением ядра и последующего воз-

Преимущества различных режимов энергопотребления

Рассмотрим еще один характерный случай, когда режимы энергопотребления позволяют значительно снизить энергопотребление, на примере mp3плеера, который накапливает данные в буфере, декодирует их в выходной буфер SDRAM и затем переводит процессор в режим ожидания, пока не потребуется следующая порция данных. Для декодирования кода mp3 требуется только весьма скромная часть вычислительной мощности процессора. Таким образом, процессор может производить декодирование mp3 фрагментами и находиться в состоянии спячки все остальное время. Например, процессор может работать в режиме «25% времени — декодирование, 75% времени — сон». Во время декодирования процессор как можно быстрее заполняет внешнюю память декодированными данными. Как только буфер заполнен, процессор переходит в состояние спячки, до тех пор пока не потребуется новое заполнение буфера. В таком режиме процессор потребля-

ет, например, 30 мА при декодировании и 15 мА — остальное время. Другими словами, если непрерывное декодирование mp3 требует, скажем, 75 МГц, можно вместо этого значения частоты использовать 300 МГц. Это позволит быстро заполнить буфер данными и отключить процессор. Следует заметить, что такой подход целесообразен только в системах, где время на сон может понадобиться для других целей. Например, этот метод можно применять в портативных медиаплеерах, в которых процессор занимается обработкой видео. Если такой плеер занимается только исключительно декодированием mp3, то используется более медленный процессор (и с меньшим потреблением). Как управлять пробуждением процессора? Например, декодированные отсчеты могут поступать в двойной буфер. Процессор заполняет один буфер, в то время как контроллер DMA опустошает другой. Когда буфер опустошен, контроллер DMA вырабатывает прерывание, которое запускает процессор на заполнение только что опустошенного буфера новыми аудиоданными. Как только процессор заполняет этот буфер, он сразу переходит в спящее состояние, и процесс повторяется. Дополнительно отметим, что использование асинхронной памяти SRAM вместо SDRAM в приведенных примерах может дополнительно снизить цену и энергопотребление. В активном режиме SRAM потребляет больше энергии, чем

SDRAM, но для SRAM требуется гораздо меньше энергии для поддержания данных во время сна процессора. Таким образом, SRAM обеспечивает более низкое энергопотребление в таких приложениях, где устройство большую часть времени находится в спящем режиме. SRAM не обеспечивает такого быстродействия, как SDRAM, но для аудиоданных в виде 16- и 32-разрядных слов производительности SRAM хватает, потому что параллельный доступ контроллера DMA, даже если он осуществляется к медленной памяти SRAM, обеспечивает достаточное быстродействие, чтобы загрузить интерфейс декодированными данными. Если приложение требует наличия SDRAM для обеспечения высокой производительности, может оказаться разумным иметь оба типа памяти, SRAM и SDRAM, в системе. Хотя стоимость компонентов несколько увеличится, использование двух видов памяти может способствовать снижению энергопотребления. SDRAM используется в той части, где требуется высокая производительность, и эта память переводится в режим «самообновления», когда процессор спит. Во время активных интервалов работы процессора ток потребляется в основном процессором и памятью SDRAM. Это происходит потому, что память SRAM хоть и менее эффективна, с точки зрения соотношения милливатт на бит информации, но она присутствует в системе в меньшем объеме.

электронные компоненты №12 2009

21 Э н е р го с б е р е ж е н и е

обновления управления памятью после включения становится возможным сохранять параметры системы в DRAM, а не в энергонезависимой флэш-памяти. Такой подход гораздо быстрее обеспечивает просыпание, чем при загрузке процессора из энергонезависимой памяти.

Очень важно в максимальной степени продлить срок эксплуатации батареи, поэтому разумно сделать так, чтобы RTC питались от основного источника (или от сетевого источника), когда такой источник подключен. На рисунке 1 приведен пример схемы, которую можно использовать для сохранения заряда батареи, питающей RTC, на то время, пока система получает питание от сети. Интерфейс USB Рис. 1. Питание RTC от батареи и от основного источника Оптимизация энергопотребления в маломощных системах Пробуждение процессора

Для минимизации энергопотребления недостаточно выбрать самые низкопотребляющие компоненты. Следует также оптимизировать энергопотребление на уровне всей системы. Часто это подразумевает совместное использование компонентов. Из состояния малого энергопотребления процессор могут вывести многие компоненты системы. Пробуждение инициируется через Ethernet, USB, часы реального времени или путем подачи сигнала на определенный вход. Рассмотрим, например, систему, в которой WiFi-модуль подключен к процессору через последовательный порт. Когда процессор не используется, он может находиться в отключенном состоянии, а WiFi при этом работать. Микроконтроллер в модуле WiFi потребляет очень мало энергии в этом режиме, т.к. он только просматривает пакеты, связанные с назначенным MAC-адресом. Как только пакет принят, WiFi-модуль посылает сигнал на основной процессор, чтобы разбудить его. Тактовый сигнал

Э н е р го с б е р е ж е н и е

Процессоры обычно извне получают сигнал тактирования. Этот внешний сигнал умножается по частоте с помощью петли ФАПЧ. Внешний тактовый сигнал поступает от кварца или от генератора. Использование кварца обходится дешевле, но генератор обладает буфером. Буферирование обеспечивает больше возможностей для использования этого сигнала в разных точках системы. Например, генератор на 27 МГц может использоваться не только для тактирования процессора, но и как источник тактового сигнала для декодера или энкодера NTSC. Иногда буферизованный выход тактового сигнала имеется в самом процессоре, что позволяет обойтись без специального генератора. Разработчик сталкивается с некоторыми противоречиями при выборе кристалла. Чем выше его частота, тем кварцевый кристалл компактнее. Однако высокочастотные кварцы стоят дороже, т.к. более тонкие и хрупкие. Разработчик также должен учитывать электромаг-

www.elcp.ru

нитную совместимость (ЭМС). Если кристалл работает на гармониках, то они могут проникнуть в фильтр или усилитель аналоговой части. В некоторых процессорах схема генерации может отключаться, когда процессор переходит в спящий режим, что позволяет сэкономить несколько миллиампер энергопотребления. Расплата за это — в увеличении времени включения процессора (за счет того, что требуется время для установления тактирования), когда процессор возвращается к активной работе. Часы реального времени (RTC)

Если в системе необходимо поддерживать время, то помимо системного тактового генератора приходится применять часы реального времени. Их основная функция — поддержание даты и времени в устройстве, но часы используются также для управления питанием. Большинство RTC позволяет организовать пробуждение процессора в назначенное время. Таким образом, процессор может постоянно находиться в режиме ожидания и просыпаться через периодические интервалы для мониторинга, слежения за состоянием системы или для определенных пользователем задач. В качестве примера использования RTC рассмотрим систему навигации GPS, которая пробуждается каждую секунду для отслеживания положения спутников. Блок RTC, потребляющий 20 мкА, запрограммирован на пробуждение процессора каждую секунду. Процессор на короткое время просыпается, чтобы определить текущее положение, затем возвращается в режим ожидания, в котором он потребляет 50 мкА. Это обеспечивает рабочий цикл, в котором процессор задействован непродолжительное время, а большую часть времени система потребляет около 70 мкА. RTC или являются частью процессора, или представляют собой отдельный модуль, но в любом случае, с точки зрения питания, RTC — это отдельная часть, которая продолжает работать, даже если остальная часть системы отключена. Часы обычно работают от отдельной батарейки и потребляют микроватты мощности.

Многие из современных портативных устройств имеют интерфейс USB. Помимо того что USB является универсальным интерфейсом для подключения к компьютеру, он еще обеспечивает питание внешних устройств. Когда устройство подключено к компьютеру, оно может его использовать в качестве источника питания, который позволяет не только сохранить заряд батареи, но и зарядить ее. Устройство, потребляющее энергию от интерфейса USB, должно соответствовать спецификации USB. Спецификации USB 1.1 и USB 2.0 имеют ограничение в 2,5 Вт (0,5 А при напряжении 5 В). Для таких устройств как клавиатура или мышь этого более чем достаточно. USB может питать и более мощные устройства с потреблением не более 2,5 Вт. Для устройств с более высоким энергопотреблением, например для принтеров или дисплеев, USB не в состоянии обеспечить достаточно мощности, и они требуют внешнее питание. Если устройство питается от интерфейса USB и не используется в течение определенного времени, оно переходит в отключенное состояние. В этом режиме ток не должен превышать 500 мА. Устройства проектируются с учетом поведения в отключенном режиме. Например, можно использовать один из режимов ожидания процессора. Контроллер USB программируется так, чтобы состояние линий D+ и D- удерживалось, пока процессор находится в режиме ожидания. Процессор остается в маломощном режиме, пока не произойдет изменения состояния на одной из линий USB. Это изменение запускает внешний преобразователь напряжения питания для активации системы. Затем включается процессор, его состояние восстанавливается, и он продолжает работу. В целом, существует много факторов, которые определяют профиль энергопотребления каждой встроенной системы как с точки зрения устройства, так и с точки зрения системы в целом. Понимая, какие узлы устройства являются основными потребителями мощности, можно значительно снизить энергорасходы любого приложения. Литература 1. David Katz and Rick Gentile, Embedded Media Processing//Newnes 2005, Chapter 8.

Пути снижения энергопотребления во встраиваемых приложениях на базе DSP и FPGA Виктор Ежов, ИД «Электроника» Бурное развитие портативных устройств и, в тоже время, рост требований к их производительности и функциональности, ставят перед разработчиками встраиваемых систем задачу повышения энергоэффективности используемых решений. В статье представлен обзор методов оптимизации энергопотребления систем на базе DSP и FPGA, рассмотрены особенности архитектуры DSP и FPGA с малой потребляемой мощностью, решения на их базе, а также использование программных инструментов для анализа и минимизации энергопотребления встраиваемых приложений.

Поиск баланса между производительностью и энергоэффективностью DSP

Раньше для увеличения производительности DSP разработчики увеличивали тактовую частоту кристалла при переходе на уменьшенные технологические нормы. Это увеличивало эффек-

тивность чипа, так как с уменьшением размеров элементов схемы возрастала скорость ее работы. Однако при переходе на топологические нормы менее 90 нм возникла проблема чрезмерного увеличения рассеиваемой мощности. Каждое увеличение тактовой частоты кристалла увеличивает энергопотребление и рассеиваемое тепло. Одним из путей решения этой проблемы стало использование нескольких более медленных процессоров в одном устройстве, что привело к появлению многоядерных DSP. Это снижает потребляемую мощность, однако требует увеличения площади кристалла. Тем не менее вычислительная мощность устройства возрастает, так как за счет снижения энергопотребления на кристалле можно разместить большее количество процессорных ядер. Ограничения, связанные с удельной рассеиваемой мощностью

При заданных условиях (корпус и компоновка системы) рассеивания мощности происходит увеличение тепла, генерируемое кристаллом, что приводит к пропорциональному увеличению температуры кремния. В настоящее время высокопроизводительные процессоры уже работают вблизи максимальной допустимой температуры перехода. Поэтому для преодоления этих ограничений необходима новая технология корпусирования кристаллов. Потребляемая мощность в основном зависит от трех ключевых факторов: рабочей частоты, паразитной емкости и напряжения питания ядра процессора. Мощность пропорциональна частоте, емкости и квадрату напряжения питания.

При технологических нормах менее 90 нм напряжение питания ядра процессора может быть снижено лишь на 5% при переходе на каждый новый уровень технологии. В среднем, общее снижение емкости проводников и транзисторов при таком уменьшении размеров составляет приблизительно 25%. В результате уменьшения длины проводников и паразитной емкости рабочая частота увеличивается в среднем в 1,33 раза при снижении напряжения питания на 5%. При уменьшении размеров кристалла в два раза удельная рассеиваемая мощность, представляющая собой мощность, рассеиваемую на единицу площади кремния, увеличивается в 1,8 раза при переходе на новые технологические нормы менее 90 нм. На рисунке 1 показана нормализованная удельная мощность проекта при различных технологических нормах. Таким образом, когда температура перехода находится близко к максимально допустимому значению, отвод тепла, рассеиваемый корпусом и кристаллом, следует увеличить примерно в два раза. Чтобы удерживать температуру перехода ниже допустимого уровня, дальнейшее увеличение удельной мощности невозможно. Единственным выходом было бы снижение тактовой частоты примерно на 25% и соответствующее уменьшение производительности кристалла. Следовательно, необходимо решение, которое позволило бы улучшить производительность системы без увеличения рассеиваемой мощности. Асинхронные схемы — путь выхода из кризиса

Высокоскоростные схемы на базе DSP требуют громоздкой системы так-

электронные компоненты №12 2009

23 э н е р го с б е р е ж е н и е

Усложнение встраиваемых приложений требует применения более производительных DSP и FPGA, которые должны отвечать возрастающим требованиям по уменьшению габаритов и потребляемой мощности. Чтобы разрешить данное противоречие, разработчики должны найти оптимальное решение, с точки зрения обеспечения требуемых характеристик и ограничения энергопотребления. Кроме того, необходимо обеспечить возможность модернизации и перепрограммирования устройства, что особенно важно для телекоммуникационного и сетевого оборудования. Тенденция к уменьшению энергопотребления затрагивает самые разные приложения. Например, необходимо обеспечить энергоэффективность портативного медицинского оборудования, которое позволяет быстро выполнить анализ и диагностику заболевания. Огромное количество различных встраиваемых устройств оборудованы дисплеями, которые потребляют значительную часть мощности. В промышленности системы управления электродвигателями рассматриваются как ключевые элементы для повышения общей энергоэффективности производственных процессов. Какие решения сегодня предлагаются для снижения потребляемой мощности встраиваемых систем на базе DSP и FPGA?

Рис. 1. Зависимость удельной рассеиваемой мощности от технологического уровня изготовления кристалла DSP

э н е р го с б е р е ж е н и е

товых сигналов для синхронизации отдельных блоков системы. Мощные буферные каскады этой системы и проводники межсоединений со значительной емкостью существенно увеличивают энергопотребление кристалла. Система тактовых сигналов не выполняет какие-либо задачи по обработке данных и в то же время потребляет значительную часть мощности. Исключение такой системы позволило бы снизить энергопотребление высокоскоростных процессоров на целых 40%. В архитектуре современных DSP используется огромное количество промежуточных триггеров и регистров, работающих на высокой частоте. Они также не участвуют в вычислительном процессе и обработке сигнала. Кроме того, промежуточные триггеры имеют свое время установки и удержания, которое следует вычесть из времени цикла в высокоскоростных системах. При этом дальнейшее увеличение удельной мощности уже невозможно. Следовательно, эти элементы должны работать значительно быстрее одного цикла тактовой частоты. Это вызывает необходимость использования высокоскоростных схем, потребляющих значительную энергию. Не требующие синхронизации, или асинхронные, схемы всегда имели плохую репутацию в полупроводниковой отрасли из-за проблемы гонки сигналов. Однако некоторые асинхронные чипы все же были реализованы на коммерческом рынке. Например, компания ARM создала асинхронный процессор с весьма малым энергопотреблением. Есть также удачные разработки в области микросхем для Ethernet-коммуникации. Несмотря на это, считается, что асинхронные схемы труднореализуемы и ненадежны. Разработчики стараются избегать асинхронных решений в высокопроизводительных DSP и других сложных схемах. Однако свежий и открытый взгляд на такие решения позволил бы определить строгую и надежную методо-

www.elcp.ru

логию разработки асинхронных схем. Появление соответствующих инструментов проектирования привело бы к возможности создания эффективной и надежной среды разработки асинхронных схем. В такой среде можно было бы осуществлять моделирование и функциональное проектирование асинхронных схем так же тщательно, как и тактируемых схем. Некоторые из наиболее существенных преимуществ асинхронных схем связаны с уменьшением потребляемой мощности и эффективным использованием площади кристалла. В асинхронных схемах нет необходимости учитывать жесткие требования по синхронизации отдельных блоков и, следовательно, они могут быть построены на основе менее мощных каскадов, что снижает общее энергопотребление системы и экономит площадь кристалла. Кроме того, из-за уменьшения площади кристалла соединительные проводники становятся короче, их паразитная емкость уменьшается, что также способствует снижению потребляемой мощности. В результате уменьшения площади кристалла уменьшается и конечная стоимость продукта. Интегрирование DSP-ядра и микропроцессора

Во встраиваемых системах присутствуют как алгоритмы обработки сигнала, так и управляющие алгоритмы, которые должны работать вместе, чтобы выполнять необходимые функции. Это взаимодействие организуется в различных приложениях по-разному. В таких приложениях как сотовые телефоны и MP3-плееры проблема традиционно решается путем реализации алгоритмов управления на RISCпроцессоре, а обработки сигналов — на DSP. Например, в сотовых телефонах функции обработки сигналов могут включать эхо-подавление или кодирование/декодирование видео- и аудиоданных. Эти алгоритмы эффективно работают на DSP. Управляющее

программное обеспечение реализует машину состояний, которая управляет пользовательским интерфейсом, клавиатурой и другими функциями. Существует несколько проблем, связанных с совместной работой функций обработки сигналов и управления. Например, при реализации сложного приложения на встраиваемой системе отладка функционирования процессорных ядер в режиме реального времени и соответствующее разделение кода может быть весьма трудной задачей из-за необходимости синхронизации двух разных ядер. Многие сложные приложения, такие как обработка видеосигналов, трудно разделить между ядрами. Основной проблемой разделения системного приложения является то, что каждое ядро требует свою внешнюю подсистему памяти, что увеличивает общее энергопотребление системы. Кроме того, требуется обеспечить управление этими независимыми подсистемами памяти; зачастую каждое ядро должно управлять своим набором периферии для того, чтобы обеспечить обмен данными. Это также приводит к увеличению энергопотребления и дополнительной загрузки системных коммуникаций. Альтернативный подход заключается в объединении DSP и микропроцессора в одном устройстве, которое можно осуществить путем добавления DSP-команд к RISC-ядру. Это могут быть команды умножения или аккумулирования, команды для выполнения специальных видов адресации и др. Такой метод объединения ресурсов обеспечивает несколько преимуществ, одним из важнейших из которых является работа лишь одного приложения в исходном формате под управлением ОС, что упрощает проектирование, облегчает интеграцию и ускоряет время разработки. Добавление DSP-команд в RISC-ядро

Интегрирование DSP-блока в RISCархитектуру приводит к дополнительному параллелизму выполнения команд и более эффективному разделению ресурсов, включая периферию и память. Кроме того, DSP-алгоритмы могут выполняться быстрее за счет использования более быстродействующей RISC-архитектуры. Однако RISC-архитектура основана на принципе загрузки с запоминанием и использует набор команд общего назначения, что может негативно отражаться на производительности. Для решения этой задачи система команд RISC-процессоров может быть дополнена DSP-расширениями для поддержки таких DSP-алгоритмов как умножение

и аккумулирование и специализированными блоками для обработки графики и изображений. Так как один процессор со встроенным RISC/DSP-ядром выполняет работу двух устройств, отпадает необходимость в коммуникации между процессорами. Единое ядро позволяет осуществлять динамическое распределение DSP-кода и управляющего кода при изменении системных требований или внешних условий. Кроме того, эта модель обеспечивает более быстрое контекстное переключение и меньшее потребление ресурсов из-за отсутствия дублирования периферии или памяти. Интеграция большего количества функциональных блоков в одном устройстве позволяет также снизить энергопотребление системы и обеспечивает другие преимущества (стоимость, производительность и размер кристалла) Можно использовать различные подходы для реализации DSP на процессоре общего назначения. Разработчики могут добавлять специализированные команды с многокомпонентными данными и расширения (например, команды Multi-Media Extension (MMX) в процессоре Pentium) или использовать каналы данных для выборки нескольких операндов, подобных реализованным в DSP с фиксированной точкой (например, в процессоре Hitachi SH-DSP). DSP-сопроцессор может быть добавлен в процессорное ядро, как реализовано в архитектуре NEON компании ARM. Разработчики могут также создать гибридные архитектуры, например такие, как в процессоре TriCore компании Infineon. Архитектуры процессоров со встроенными функциями DSP

– Быстрое переключение между задачами DSP и микроконтроллера позволяет интегрированному ядру действовать подобно виртуальному процессору. – Более крупные блоки встроенной памяти (RAM, ROM) увеличивают производительность и снижают энергопотребление системы. – Интегрированная архитектура обеспечивает непосредственное управление встроенной периферией без дополнительной логики связи. Использование FPGA во встраиваемых приложениях с малым энергопотреблением

Микросхемы программируемой логики — FPGA — с их гибкостью и возможностью адаптации к изменяющимся условиям играют все более существенную роль во многих встраиваемых приложениях, включая те, для которых ключевым требованием является малая потребляемая мощность. Однако не все устройства программируемой логики подходят для малопотребляющих систем. Некоторые из современных маломощных FPGA потребляют ток до 30 мА, что зачастую на порядок или на два превышает предельные значения для портативных устройств с батарейным питанием. В FPGA на базе SRAM наблюдаются всплески потребления энергии при включении питания и при загрузке конфигурации во время системной инициализации. Кроме того, для конфигурирования таких FPGA требуется специальное внешнее устройство (например, загрузочная PROM или микроконтроллер). FPGA на основе флэш-памяти не требуют внешней памяти, в которой была бы записана конфигурация устройства для поддержки при каждом включении питания прибора и при системной загрузке. Исключение дополнительных компонентов, которые требуются для FPGA на базе SRAM, не только уменьшает площадь печатной платы и мощ-

электронные компоненты №12 2009

25 э н е р го с б е р е ж е н и е

В архитектуре NEON компании ARM SIMD-команды допускают параллельную обработку до 16 элементов, что увеличивает скорость работы медиа- и DSP-приложений. Они тесно связаны с ядром (см. рис. 2), и такая интеграция обеспечивает общий доступ к памяти, которая может быть использована ARM-ядром. Это позволяет задействовать единый поток команд, что ускоряет разработку всего приложения. Подобная архитектура хорошо подходит для таких приложений как сотовые телефоны стандарта 3G. В этих приложениях DSP-подсистема данных могла бы быть использована для специализированной обработки, например, видеокодирования; ARM-ядро с DSP-расширениями — для аудио- и видеодекодирования, а RISC-подсистема — для пользовательского интерфейса и обработки стека протоколов. Архитектура TriCore (см. рис. 3) сочетает RISC-архитектуру загрузки с запоминанием с DSP-подобной гарвардской архитектурой. В ней используется 32-разрядная адресная шина и 64-разрядные шины памяти программ и данных. Само ядро не содержит память, однако может быть переконфигурировано разработчиком. Суперскалярная архитектура содержит 32-разрядный канал данных с фиксированной точкой, блок загрузки и запоминания и блок программного управления. Это устройство может выполнять до трех команд за цикл, что требуется для высокопроизводительных DSP-приложений. Эта архитектура поддерживает также следующие режимы DSP-адресации, включая косвенную регистровую адресацию: индексную, циркулярную и адресацию с инвертированием разрядов. Таким образом, ключевыми преи муществами использования интегрированного RISC/DSP-процессора для встраиваемых систем реального времени являются следующие. – Единая архитектура объединяет свойства DSP и микроконтроллера без ущерба для производительности процессора.

Рис. 2. Процессорная архитектура NEON компании ARM

ность, рассеиваемую системой, но также повышает надежность и снижает общую стоимость системы на целых 70%, по сравнению с подобными решениями на основе SRAM. В общем случае, мощность, потребляемая FPGA, состоит из статической и динамической составляющей. Статическая мощность определяется токами утечки, когда устройство включено, сконфигурировано и находится в состоянии покоя. Динамическая мощность потребля-

Рис. 3. Процессорная архитектура TriCore

Рис. 4. Рост динамической и статической мощности FPGA в зависимости от технологического уровня

э н е р го с б е р е ж е н и е

Рис. 5. Мощность, потребляемая SRAM FPGA и флэш-FPGA

www.elcp.ru

ется, когда устройство находится в активном рабочем режиме. До последнего времени динамическая мощность доминировала в общем энергопотреблении (см. рис. 4). Уменьшение технологических размеров и, соответственно, переход на более низкое напряжение питания помогало решить проблему роста динамической мощности потребления. Однако в настоящее время дальнейшее масштабирование схем становится затруднительным. Проблему осложняет то, что при каждом масштабировании технологического процесса увеличивается статическая составляющая мощности потребления FPGA на основе SRAM, что обусловлено явлениями квантового туннелирования и предпороговой утечкой. В результате, статическая составляющая мощности потребления становится доминирующей. При проектировании системы на базе SRAM FPGA, кроме статической и динамической мощности, необходимо учитывать еще три режима энергопотребления: включение питания (запуск), конфигурирование и различные режимы низкого энергопотребления. Мощность, потребляемая во время запуска и конфигурирования, может быть довольно значительной, и это необходимо принимать во внимание при разработке системы питания и выборе емкости батарей. В полностью энергонезависимой FPGA на базе флэш-памяти отсутствуют режимы запуска и конфигурирования, что упрощает задачу проектирования и снижает общее энергопотребление системы (см. рис. 5).

Рис. 6. Блок-схема портативного медицинского прибора, некоторые функции которого реализованы на FPGA

э н е р го с б е р е ж е н и е

Так как энергонезависимая FPGA на основе флэш-памяти не использует миллионы ячеек SRAM, потребляющих значительную мощность, они имеют значительно меньшую статическую мощность потребления, что делает их идеальными для приложений, критичных к рассеиваемой мощности. Кроме того, улучшается быстродействие, и обеспечивается надежность и безопасность системы. Одним из важнейших приложений с жесткими требованиями по потребляемой мощности является портативное медицинское оборудование. Эти приборы должны отвечать высоким требованиям по надежности, многофункциональности (встроенные возможности), обладать коммуникационными возможностями и способностью к регистрации данных. Сегодня от современной медицинской техники ожидают больше, чем измерения и мониторинга параметров. Некоторые из приборов регистрируют и анализируют данные и пересылают их в медицинские учреждения. Например, приборы для измерения уровня инсулина в настоящее время оборудованы коммуникационными портами (ИК и беспроводными) для передачи результатов измерений в режиме реального времени на ПК или дозатор инсулина. На рисунке 6 показана блок-диа грамма медицинского прибора, на которой представлены функциональные блоки, реализуемые с помощью FPGA (выделены цветом). Эти функции могут быть выполнены с помощью индивидуального перепрограммируемого устройства либо встроены в более крупную FPGA. Другим приложением, в котором FPGA с малым энергопотреблением

www.elcp.ru

могут играть существенную роль, являются дисплеи. В портативных приборах LCD-дисплеи могут потреблять до 50% общей энергии приложения, что заставляет искать приемлемое решение по улучшению энергоэффективности системы. Некоторые FPGA с энергопотреблением до 5 мВт позволяют построить контроллер LCD-дисплея, который обеспечивает малую потребляемую мощность, в то же время сохраняя содержимое системной памяти и регистров данных. В результате, использование FPGA позволяет поддерживать работу LCD-дисплея в дежурном режиме (с отключением подсветки), что сохраняет заряд батарей. Для улучшения энергэффективности многие поставщики FPGA FPGA встраивают микроконтроллерные и микропроцессорные ядра в свои приборы. Некоторые из таких приборов потребляют всего 24 мкА в статическом режиме и 3 мкА — в дежурном. Компания Actel использует режим Flash Freeze, который обеспечивает быстрое переключение между режимами сверхнизкого энергопотребления и в то же время сохранение данных в SRAM и регистрах. Данный режим позволяет уменьшить ток покоя устройства до 20 мкА. Это примерно в 200 раз меньше, чем у конкурирующих приборов. Подобные преимущества можно получить и в FPGA смешанного сигнала. Такие микросхемы содержат программируемую логик у, RAM, флэш-память и аналоговые блоки на одном кристалле. Увеличенная функциональность этих устройств позволяет исключить с платы такие компоненты как флэш-память, некоторые аналоговые микросхемы, источники

тактового сигнала, EEPROM и часы реального времени, что уменьшает стоимость, габариты системы и общее энергопотребление. При проектировании системы важн о выбрать FPGA, которая позволяет оптимизировать использование таких ресурсов как RAM, блок ФАПЧ и порты ввода/вывода. При выборе архитектуры FPGA нужно учитывать наличие всех режимов низкого энергопотребления и других возможностей для экономии энергопотребления таких блоков как ФАПЧ, RC-генераторы и банки ввода/ выв ода. При разработке системы синхронизации встраиваемого приложения важно точно рассчитать, какие блоки системы нуждаются в быстром тактовом сигнале, а какие — в более медленном, так как частота переключения влияет на динамическую рассеиваемую мощность. Динамическая мощность также сильно зависит от топологии и разводки кристалла. Необходимо по возможности располагать связанные блоки схемы поблизости друг от друга, так как при уменьшении длины провод ников емкостная нагрузка уменьшается и рассеиваемая мощность падает. Современные программные средства разработки FPGA способны оптимизировать топологию схемы в целях снижения энергопотребления. В зависимости от количества тактовых сигналов и узлов в схеме можно добиться снижения энергопотребления до 25%. Для улучшения энергоэффективности системы используют также выборочное снижение напряжения питания отдельных блоков чипа или определенных микросхем на плате. Реализация нескольких шин питающих напряжений, не связанных друг с другом, позволяет осуществлять выборочное отключение определенных блоков FPGA. Для снижения энергопотребления может быть также использована макрооптимизация. Некоторые стандартные логические элементы могут предлагаться в различных версиях, оптимизированных для высокой производительности, высокой плотности упаковки или низкой мощности потребл ения. Высокопроизводительные версии рассеивают большую мощность, поэтому снижение мощности потребления может быть достигнуто при применении высокопроизводительных макросов, только когда они требуются. Например, быстрый сумматор потребляет в 10 раз больше энергии, чем более медленный сумматор со сквозным переносом.

Для минимизации энергопотребления FPGA и ускорения цикла проектирования разработчики используют программные инструменты, оптимизирующие рассеиваемую устройством мощность. Это могут быть как инструменты разработки топологии, так и средства анализа рассеиваемой мощности. С помощью инструментов разработки топологии можно проверить все межсоединения между функциональными блоками схемы и рассчитать энергопотребление тех узлов, которые имеют большую величину произведения частоты на паразитную емкость. В основном, это касается системы тактового сигнала, так как эти цепи обычно имеют наибольшую емкость и рабочую частоту. Обычно в результате моделирования формируется файл VCD (Value Change Dump), используемый в качестве исходного для генерации топологии и точного анализа потребляемой мощности. В VCD-файле представлен отчет о параметрах определенного узла схемы во время его работы. Для выполнения оптимизации энергопотребления схемы необходимо вначале разработать топологию схемы в режи-

ме расчета временных соотношений, выполнить обратное аннотирование, запустить моделирование для генерации VCD-файла, импортировать VCDфайл в проект и выполнить проверку топологии в режиме расчета энергопотребления. Как было сказано выше, проектируемые схемы могут работать в комбинированных режимах. Некоторые инструменты анализа потребляемой мощности представляют данные о средней потребляемой мощности на основе графика работы устройства, когда инженер задает время работы устройства в определенном режиме энергопотребления. Это удобно для выбора подходящей для приложения батареи, так как срок ее службы значительно увеличивается при работе устройства в режиме энергосбережения. Наконец, в некоторых инструментах анализа VCD-файл, полученный в результате моделирования, можно использовать для определения пиковой мощности в течение тактового цикла или за несколько циклов. Эта возможность позволяет точно определить момент времени или номер тактового цикла, когда потребляется максимальная мощность, что позволяет дополнительно уменьшить энергопотребление схемы.

Заключение

Потребляемая мощность является критически важным параметром для разработчиков встраиваемых систем, особенно портативных устройств с батарейным питанием. Правильный выбор архитектуры DSP и FPGA, используемых для построения системы, позволяет уменьшить энергопотребление и улучшить такие характеристики разрабатываемого приложения как гибкость, стоимость и габаритные размеры. Программные инструменты разработки позволяют оценить потребляемую мощность на разных этапах проектирования системы и создать схемное и топологическое решение, позволяющее минимизировать энергопотребление разрабатываемого приложения.

Литература 1. Robert Oshana. Embedded applications using integrated DSP and microprocessor cores//www.dsp-fpga.com/articles/id/?2546. 2. Doug Morrissey. Power vs. performance: The ultimate DSP design challenge//www.dspfpga.com/articles/id/?4048. 3. Christian Plante. The drive to lower power//www.dsp-fpga.com/articles/id/?3951. 4. Fred Wickersham. Design techniques for FPGA power optimization//www.dsp-fpga. com/articles/id/?4044.

электронные компоненты №12 2009

29 э н е р го с б е р е ж е н и е

Инструменты анализа и оптимизации энергопотребления

Технологии силовой электроники для снижения энергопотребления Игорь Алексеев, техн. консультант, ИД «Электроника» В статье рассмотрены технологии производства силовых приборов с уменьшенными потерями, что позволяет повысить энергоэффективность преобразователей на их основе. Рассмотрены кремниевые и карбидкремниевые дискретные силовые компоненты. Приведены табличные и графические экспериментальные и расчетные данные.

э н е р го с б е р е ж е н и е

Сегодня энергосбережение, наверное, самая актуальная тема во многих отраслях техники. В электронике она во многом связана с уменьшением потерь и увеличением эффективности силовых преобразователей. Например, известная организация Climate Savers Computing Initiatives (CSCI) выступает с инициативой уменьшить к 2010 г. выброс в атмосферу углекислого газа на 54 млн т за счет уменьшения энергопотребления компьютеров и серверов. Известно и много других инициатив со схожей целью. Построение более эффективных преобразователей возможно как за счет улучшения схемотехники силовых каскадов, так и за счет использования более совершенных силовых ключей. Первый метод описан, например, в [1]. Некоторые аспекты второго мы рассмотрим в настоящей статье. Многие эксперты сходятся во мнении, что внедрение прогрессивных технологий производства приборов силовой электроники сыграет главную роль в снижении энергопотребления. Примером таких технологий являются карбидкремниевые (SiC) приборы, а также усовершенствованные кремниевые ключи, например, Super-Junction MOSFET с малой величиной заряда затвора и новейшее поколение кремниевых приборов deep-trench filling MOSFET со сверхма-

Рис. 1. Вертикальная структура SuperFET TM (слева) и SupreMOSTM (справа)

www.elcp.ru

лым сопротивлением канала в открытом состоянии и отличными динамическими характеристиками. Их использование в импульсных источниках питания позволяет существенно повысить энергоэффективность последних. Кремниевые приборы

Потери в силовых ключах можно разделить на четыре категории: потери на проводимость; коммутационные потери; потери в закрытом ключе из-за токов утечек и потери на управление. Во многих приложениях, работающих с большой величиной напряжения, последние два вида потерь относительно малы. Коммутационные потери зависят от длительности переходного процесса, во время которого одновременно изменяются значения тока и напряжение на ключе. Силовой ключ должен иметь очень малую паразитную емкость, чтобы сократилось время переходного процесса. Учитывая сказанное, рассмотрим два аспекта, позволяющие сократить потери: сопротивление канала в открытом состоянии и паразитную емкость. Наиболее значимое воздействие на уменьшение сопротивления канала в открытом состоянии оказывает использование технологии Charge Balance. Впервые SuperJunction MOSFET с использованием этой технологии был создан 10 лет назад. При этом использовалась колоннообразная структура p-типа, а не хорошо известная планарная технология. Эффект такого решения заключался в том, что электрическое поле сосредотачивалось в малолегированных областях. Благодаря использованию колонно образной структуры p-типа, сопротивление эпитаксиального n-слоя значительно уменьшилось, по сравнению с общепринятой тогда планарной технологией. Эта технология позволила также существенно уменьшить нелинейную паразитную емкость, благодаря чему значительно сократились коммутационные потери. Сегодня большинство Super-Junction MOSFET имеют многослойную колонно образную структуру p-типа. Главными

параметрами, играющими роль в уменьшении сопротивления открытого канала, являются соотношение сторон и расстояние между ячейками. В общем случае для увеличения коэффициента соотношения сторон необходимо увеличить число слоев, однако это повлечет за собой усложнение процесса и повышение стоимости, а также породит другие сложности [2]. Избежать указанных проблем позволила новая Super-Junction-технология, суть которой не в увеличении числа эпитаксиальных слоев, а в углублении канавок и заполнении их сначала слоями n-, затем p-типа. Таким образом, удалось достичь большей плотности ячеек и упрощения процесса производства. Главная проблема — неоднородность заполнения слоев, что приводит к ухудшению электрических параметров кристалла, из-за чего требуется весьма тщательный контроль над производственным процессом. Сегодня уже начато производство ключей по новой технологии — Supre-MOSTM. Они имеют на 40% меньший размер, чем Super-Junction MOSFET, SuperFET TM (см. рис. 1), благодаря чему размещаются в корпусах меньших габаритов и имеют значительно меньшее сопротивление открытого канала. Новая технология позволила существенно сократить заряд затвора и достичь сопротивления открытого канала 190 мОм для 600-В MOSFET, что вдвое меньше, по сравнению с ключами предыдущего поколения. Также уменьшилась емкость Миллера и затвор-сток. Уменьшение емкости Миллера позволит сократить потери в приложениях с жестким переключением ключей. Следовательно, ключи, выполненные по технологии Supre-MOSTM, позволят повысить частоту коммутации. В выходном конденсаторе источника питания потребуется сохранять меньше энергии, чем раньше, в результате повышения частоты переключения. Сравнительный анализ двух изделий показал, что в преобразователях с ключами Supre-MOSTM запасаемая энергия уменьшилось примерно на 30%. В общей

Уменьшение потерь на переключение очень важно для приложений с жесткой коммутацией. В случаях, когда переключение происходит мягко — при нулевом напряжении или токе — на первый план выходят потери на проводимость. В этом случае ключи SupreMOS также имеют преимущества. Карбид-кремниевые приборы

Рис. 3. Статические характеристики каскодного SiC JFET и IGBT

Рис. 4. Сравнение суммарных потерь IGBT, SiC JFET и IGBT с антипараллельным SiC-диодом при T = 125С°, VDC = 600 В, IRMS = 21,2 А, cosφ = 0,8 Таблица 1. Сравнение характеристик IGBT FGL40N и SiC JFET SJEP120R063 Параметр Входная емкость CISS, пФ Эффективная выходная емкость CO(ER), пФ Потери энергии при включении EON, мкДж Потери энергии при выключении EOFF, мкДж Общие потери энергии ETOTAL, мкДж Тепловое сопротивление RTHJ-C, К/Вт

IGBT FGL40N 1700 260 550 1000 1550 0,25

сложности, удалось сократить потери энергии на 4,5 Вт на 600-Вт преобразователях с рабочей частотой 120 кГц. Также был проведено сравнение ключей Fairchild — 70-мОм SuperFET в корпусе TO-3P и 85-мОм SupreMOS в корпусе TO-220. Размещенный в большом корпусе 70-мОм SuperFET имеет

SiC JFET SJEP120R063 1220 100 131 94 225 0,6

большую паразитную емкость, и его динамические параметры хуже, чем у нового 85-мОм SupreMOS [2]. Результаты испытаний 800-Вт блока корректора коэффициента мощности показали, что блок с ключами нового поколения имеет лучшую энергетическую эффективность во всем диапазоне нагрузок (см. рис. 2).

Литература 1. Голышев В. Способы повышения эффективности импульсных преобразователей// Электронные компоненты, 2008, №12. 2. Won-Suk Choi et al. A New Breakthrough in More Efficient Power Conversion//Bodo’s Power Systems, #11, 2009. 3. Zhang Xi et al. Efficiency Improvement with Silicon Carbide-Based Power Modules// Bodo’s Power Systems, #11, 2009.

электронные компоненты №12 2009

31 э н е р го с б е р е ж е н и е

Рис. 2. Эффективность и коммутационные потери в 800-Вт корректоре коэффициента мощности

Другой путь уменьшения потерь состоит в использовании карбид-кремниевых (SiC) приборов. Известно, что параметры кремниевых (Si) MOSFET с максимально допустимым напряжением свыше 1000 В резко ухудшаются, и они уступают IGBTтранзисторам. Однако последние приборы характеризуются значительными коммутационными потерями. Хорошей альтернативой IGBT служат SiC JFET. Для примера сравним нормально закрытый 1400-В SiC JFET SJEP120R063 с сопротивлением открытого канала 63 мОм компании SemiSouth и 1200-В IGBT FGL40N. Результаты сравнения, приведенные в таблице 1, показывают очевидное превосходство технологии JFET. Отметим также, что меньшая входная емкость JFET приводит и к уменьшению потерь по управлению. Большее тепловое сопротивление JFET не критично, т.к. потери в этом ключе значительно меньше. Упомянем еще нормально открытый SiC JFET компании Infineon с напряжением отсечки примерно –15 В. Для того чтобы перейти к состоянию «нормально закрытый», принятому в большинстве приложений, последовательно с SiC JFET включен 40-В Si-MOSFET (OptiMOS) — каскодная схема [3]. В первом прототипе силового модуля эти ключи были соединены в мостовую схему. Каждый ключ состоял из 6 параллельно включенных SiC JFET, при этом сопротивление открытого канала составило 70 мОм. На рисунке 3 показаны статические характеристики описанного каскодного ключа, в сравнении с аналогичными характеристиками Si IGBT. Еще одна возможность применения SiC-приборов — использование SiCдиодов Шоттки в качестве антипараллельных диодов совместно с IGBT. На рисунке 4 [3] представлены результаты испытаний всех вариантов. Из рисунка очевидны преимущества SiC-приборов. Использование SiC JFET позволит повысить рабочую частоту до 70 кГц.

Аккумуляция энергии без использования батарей во встраиваемых системах Эдриан Валенцуэла (Adrian Valenzuela), менеджер по маркетингу продукта, Texas Instruments

В статье рассмотрена технология аккумуляции энергии, которая позволяет отказаться от применения батарей в качестве традиционного элемента питания. Показаны преимущества применения систем аккумуляции энергии в приложениях с длительным сроком службы и затруднительным доступом для обслуживания. Рассмотрен пример построения системы сбора энергии для сети беспроводных датчиков с применением микроконтроллера с ультранизким потреблением и РЧ-трансивера компании Texas Instruments. Статья представляет собой перевод [1]. Современные микроконтроллеры с ультранизким энергопотреблением достигли такого уровня интеграции и эффективности работы, что для многих приложений более не требуются обычные виды батарей. К таким приложениям относятся довольно сложные сети датчиков, которые могут передавать данные с помощью беспроводной связи. Собирая весьма малое количество энергии из окружающей среды, эти системы способны работать почти бесконечно без использования батарей. Такая технология не только улучшает свойства приложений из-за исключения их зависимости от времени работы батарей, но также способствует появлению совершенно нового класса приложений, которые ранее были невозможны из-за конечного срока службы источников питания и их значительных размеров. Встраиваемые приложения с ультранизким энергопотреблением

Э н е р го с б е р е ж е н и е

Подобно закону Мура, который утверждает об удвоении числа транзисторов в цифровой схеме каждые два года, обратная тенденция происходит с энергопотреблением. Примерно каждые 1,5 года мощность потребления цифровых систем уменьшается вполовину. Прогресс в улучшении энергоэффективности систем уже привел к грандиозным результатам для небольших микроконтроллеров (МК) с ультранизким энергопотреблением, специально разработанным для приложений с батарейным питанием, и позволил спроектировать устройства, в которых срок службы батареи достигает 10 лет. Для МК с ультранизким потреблением обычной является величина

WWW.ELCP.RU

тока потребления в дежурном режиме не более 1 мкА, а в активном режиме потребление составляет порядка 200 мкА/MIPS. Поскольку частота тактового сигнала этих микроконтроллеров обычно составляет около 25 МГц и менее, пиковое потребление тока сравнительно невелико, и для питания таких устройств можно использовать простые источники питания. Мощность, потребляемая данным приложением, редко определяется энергопотреблением отдельного МК. Аналоговые схемы преобразования, стабилизаторы питания и коммуникационные устройства также являются составными частями системы и потребляют энергию, даже когда неактивны. Путем интеграции функций каждого устройства в одном кристалле, изготовленном с помощью технологического процесса с малым потреблением, можно значительно снизить ток утечки всей системы. Кроме того, с помощью управления неиспользуемой в текущий момент периферии каждого МК энергопотребление можно снизить еще больше. Отдельное высокоинтегрированное устройство потребляет меньшую мощность, чем решение на основе дискретных компонентов. К тому же, отдельное устройство упрощает проект, а также снижает стоимость и площадь на плате, которая требуется для реализации данной функции. Гибкие требования к системе питания МК с ультранизким энергопотреблением не только позволяют уменьшить мощность за счет более низкого напряжения питания, по сравнению с обычными встраиваемыми процессорами с фиксированным напряжением питания, но и допускают применение разнообразных типов источников энергии. Например, некоторые МК с ультранизким энергопотреблени-

ем поддерживают широкий диапазон входного напряжения (1,8…3,6 В). Работа при более низком напряжении позволяет микроконтроллеру снизить общее энергопотребление системы, а также использовать для питания систему сбора энергии. Проблемы батарейного питания

Обычные батареи, такие как литиево-ионные элементы, были стандартным источником питания для портативной электроники в течение десятков лет, однако они накладывают серьезные ограничения на удобство в использовании, срок службы и эксплуатационные расходы. В то время как вычислительная мощность удваивается примерно каждые два года, успехи в области батарейных технологий гораздо менее заметны. В прошлом емкость батарей удваивалась каждые 10 лет. Кроме весьма медленного роста энергетической емкости, обычные батареи имеют ограничения по общей полезной энергетической плотности. Современные литиево-ионные батареи, пользующиеся большим спросом благодаря высокому соотношению между емкостью и весов, имеют энергетическую плотность 150…200 Вт . ч/кг. Исследования показали, что можно увеличить их энергетическую плотность в 10 раз в течение нескольких лет. Даже если это будет достигнуто, необходимо учитывать вопросы их безопасности. В случае неправильного использования, батареи, имеющие чрезвычайно высокую энергетическую плотность, могут стать взрывоопасными устройствами. Для большинства устройств с батарейным питанием стоимость эксплуатации редко определяется первоначальной стоимостью при их изготовлении. При длительном сроке службы устрой-

Новый класс приложений?

В принципе, аккумуляция энергии известна на протяжении многих тысяч лет. Современные ветровые электростанции или батареи солнечных элементов позволяют возвратить часть электрической энергии в сеть. Эти крупномасштабные приложения можно назвать макросистемами сбора энергии. С другой стороны, микросистемы, на которых мы сосредоточим внимание в этой статье, позволяют небольшим автономным устройствам аккумулировать энергию из окружающей среды и сохранять ее. Несмотря на то, что микро- и макросистемы имеют схожие принципы работы, их сферы применения совершенно разные.

Рис. 1. Блок-схема системы, использующей сбор энергии

Системы, предназначенные для сбора энергии, состоят из двух основных частей: – устройства, которые преобразуют энергию из окружающей среды; – средства хранения энергии для дальнейшего использования приложением. Несмотря на то, что остальные блоки системы могут быть самыми разными и зависят от выполняемого задания, все решения для сбора энергии обычно содержат схожие элементы, которые идеально подходят для датчиковых сетей. МК с ультранизким энергопотреблением является сердцем такой системы, отвечающим за обработку информации, измерения и обеспечение связи. МК сопрягается с любым количеством датчиков, осуществляет сбор информации, а также передает или принимает данные через беспроводной приемопередатчик. Типичная структурная схема такой системы показана на рисунке 1. Источников энергии, которую можно использовать и собрать, весьма много; в настоящее время появляются и довольно сложные системы сбора энергии. Однако наиболее распространенными источниками энергии являются свет, тепло, радиочастота и вибрация. Каждый вид энергии имеет свои преимущества и недостатки, а конкретная технология сбора энергии зависит от приложения. Ясно, что прибор, оснащенный солнечной панелью, бесполезен, если он находится в темном месте весь день. Назначение системы аккумуляции энергии заключается в сборе доступной энергии,

которая, в противном случае, была бы потеряна. Выходная мощность устройств аккумуляции энергии в зависимости от использованной технологии, эффективности, размера системы и окружающей среды, в которой они находится, различается на несколько сот порядков. Типовые значения выходной мощности для нескольких технологий сбора энергии представлены в таблице 1. Типовой МК с ультранизким потреблением и беспроводной трансивер потребляют в совокупности около 50…100 мВт в условиях передачи данных. Это означает, что для работы приложения потребовалось бы весьма крупное устройство сбора энергии и доступ к ее источнику в течение всего времени работы прибора. Кроме того, пиковой выходной мощности было бы недостаточно для выполнения заданий, требующих значительной вычислительной мощности. Было бы слишком не практично использовать большое устройство аккумуляции энергии для небольшого приложения; также нереально предполагать, что источник энергии будет доступен постоянно. Поскольку в большинстве случаев энергия поступает в виде низкого напряжения в течение длительного периода времени, ее следует вначале сохранить и сделать доступной для приложения по необходимости. В то время как система накапливает энергию, МК, сенсоры и система связи могут работать в дежурном режиме, который позволяет минимизировать утечки энергии.

Таблица 1. Характеристики типичных устройств сбора энергии Источник энергии Свет Тепло Вибрация Радиочастота

Особенности наружный

КПД, % 10…25

внутренний

Собранная энергия 100 мВт/см2 100 мкВт/см2

человеческое

~0,1

60 мкВт/см2

промышленное

10 мВт/см2

~Гц – от человека ~кГц – от машины GSM 900 МГц WiFi 2,4 ГГц

25…50 ~50

4 мкВт/см2 800 мкВт/см2 0,1 мкВт/см2 0,001 мкВт/см2

электронные компоненты №12 2009

33 Э н е р го с б е р е ж е н и е

ства замена батарей может существенно влиять на общую стоимость эксплуатации. Это особенно важно в приложениях, где замена батарей затруднительна или сопряжена с высокими трудозатратами на обслуживание. Возьмем, например, счетчики расхода воды, которые необходимо установить под землей. Чтобы добраться до них, следует раскопать грунт на глубину более 1 м в условиях холодного климата. Таким образом, из-за недоступности счетчиков расхода воды стоимость замены батарей в них может составлять 100–200 долл. на один прибор. Миниатюризация устройств стала постоянной тенденцией во многих областях. Для продуктов широкого потребления требования по уменьшению габаритных размеров привели к созданию высокоинтегрированных микросхем, которые позволяют обеспечить максимальную функциональность в условиях ограниченного пространства. В то время как все более высокая интеграция на уровне микросхем отвечает требованиям заказчиков, источники энергии не получают преимуществ от миниатюризации. Пространство, необходимое для размещения батарей, становится все более ограниченным, срок службы устройств с батарейным питанием увеличивается, а количество энергии, которое батарея должна обеспечить, растет. Требования к батареям для современной электроники намного превышают те результаты, которые можно достичь. Несмотря на проблемы, связанные с обычными батареями, можно обеспечить функционирование устройств с помощью современных перезаряжаемых батарей либо отказаться от батарей полностью, если обеспечить питание встраиваемого процессора с ультранизким потреблением от источника, который собирает энергию из окружающей среды.

более из этих требований применимо к данному приложению, то оно получит преимущества от применения технологии сбора энергии. Передовой опыт применения системы аккумуляции энергии

1 – измерение температуры с помощью АЦП; 2 – измерение напряжения с помощью АЦП; 3 – блокировка АЦП и обработка данных в МК Рис. 2. Профиль потребления энергии беспроводного температурного датчика

Э н е р го с б е р е ж е н и е

Компонент, используемый для хранения энергии, должен работать как буфер для остальной части приложения. Емкость и технические параметры буфера зависят от приложения. Если оно затрачивает длительное время для доступа к источнику энергии, требуется довольно мощный буфер, но если приложение постоянно находится около источника энергии и редко переходит в активный режим (приложения с малым рабочим циклом), достаточно небольшого буфера. Для наиболее широко используемых приложений идеальный энергетический буфер должен обладать следующими свойствами: – весьма незначительные утечки (саморазряд); – неограниченная емкость; – малый объем; – отсутствие необходимости преобразования энергии; – эффективность приема и передачи энергии. К сожалению, идеальных элементов для хранения энергии не существует. Тем не менее существует несколько технологий хранения, обладающих своими преимуществами и недостатками: перезаряжаемые батареи (например, щелочные, никелево-кадмиевые и литиево-ионные), суперконденсаторы и тонкопленочные батареи. В то время как перезаряжаемые батареи различного химического состава и суперконденсаторы являются хорошо известными устройствами, кото-

рые продолжают совершенствоваться, тонкопленочные батареи, служащие хорошей альтернативой суперконденсаторам, появились на рынке недавно. Основные параметры каждого вида технологий хранения энергии представлены в таблице 2. Время и место аккумуляции энергии

Несмотря на желание навсегда избавиться от используемого в системе комплекта батарей, не для всех приложений это возможно. Кроме серьезных требований, таких как доступность источника для аккумуляции энергии, существуют также практические соображения, например затраты на установку и наладку. Если приложение должно функционировать лишь в течение двух лет и доступ к комплекту батарей не представляет затруднений, а источник питания на основе технологии сбора энергии дороже батарей и занимает больше места, то, вероятнее всего, нецелесообразно переходить на такой источник питания. Кроме доступности источника энергии, приложения, для которых планируется использовать ее аккумуляцию, должны отвечать следующим условиям: затруднения при установке или доступе для обслуживания; слишком высокая стоимость или крупные габариты системы кабелей для питания и коммуникации; необходимость обеспечения экологичности или весьма длительного срока работы. Если одно или

Таблица 2. Основные параметры различных видов технологий хранения энергии Наименование параметра Число циклов перезаряда

Литиево-ионные Тонкопленочные батареи батареи

Суперконденсаторы

сотни

тысячи

миллионы

Саморазряд

умеренный

весьма незначительный

высокий

Время заряда

часы

минуты

секунды…минуты

Физические размеры Емкость, мкА. ч

Воздействие на окружающую среду

WWW.ELCP.RU

малые

средние

0,3…2500 мА. ч

большие

12…1000

10…100

сильное

минимальное

В идеальном случае существующий источник питания заменяется системой аккумуляции энергии для питания изделия. Однако в реальности это возможно только в том случае, когда устройство сбора энергии всегда обеспечивает выполнение тех требований приложения по потребляемой мощности, что и при использовании обычного источника питания. На практике, системы накопления энергии ориентированы на работу при сверхнизком потреблении мощности и должны учитывать широкие колебания входной энергии, включая вероятность того, что ее источник становится недоступным на некоторый период времени. В основе принципов проектирования таких систем должны находиться методы разработки схем с ультранизким энергопотреблением. Обязательным требованием является применение в этих системах МК и РЧ-трансивера, оптимизированных для минимального энергопотребления, например 16-разрядного микроконтроллера MSP430 и 2,4-ГГц трансивера CC2500 компании Texas Instruments. Следует оптимально использовать дежурный режим работы МК, а также минимизировать время работы в активном режиме с высоким энергопотреблением. Для этого требуется тщательно изучить график режимов работы приложения. На основе графика выбирается соответствующая технология хранения энергии, которая обеспечивает достаточный запас энергии во время работы приложения в активном режиме. В реальных системах в маломощном дежурном режиме комбинация МК MSP430F2274 и трансивера CC2500 потребляет около 1,3 мкА. Хотя это незначительная нагрузка, источник питания или элемент хранения энергии должен всегда обеспечивать минимальный уровень необходимой мощности. Если приложение предназначено для считывания данных с температурного датчика и беспроводной передачи информации в центральную точку доступа за короткий период времени, источник питания должен поддерживать значительную пиковую нагрузку порядка 25 мА, что на несколько порядков превышает величину тока потребления в дежурном режиме. Детальный график работы такой системы показан на рисунке 2. Интегрируя площадь под кривой, можно получить общее энергопотре-

когда система может находиться в темноте. С другой стороны, если данные с датчика не нужны в любой момент времени, систему можно спроектировать так, чтобы передавать информацию, только когда имеется легкодоступный источник энергии. Таким образом, потребовался бы энергетический буфер для хранения энергии, необходимой системе только в дежурном режиме. Возможность увеличения срока службы системы

Микросистемы сбора энергии из различных источников, таких как свет, движение, тепло или радиочастота позволяют инженерам обойти физические ограничения батарей и создавать при-

ложения, для обслуживания которых не нужен непосредственный доступ. Недорогие автономные сети датчиков не только смогут улучшить нашу жизнь, предоставляя данные о состоянии окружающей среды, но обеспечат это без необходимости дополнительных затрат или какого-либо нежелательного воздействия на окружающую среду. Сбор энергии увеличит срок службы существующих продуктов и позволит реализовать решения, которые не были доступны ранее.

Литература 1. Adrian Valenzuela. Batteryless energy harvesting for embedded designs//www. greensupplyline.com.

События рынка

| Европейская конференция пользователей компании Dassault Systemes | 17—18-го ноября 2009 г. в Париже прошла Европейская конференция пользователей компании Dassault Systemes — European Customer Forum 2009. Компания Dassault Systemes, мировой лидер в области PLM- (Product Lifecycle Management — управление жизненным циклом продукта) и 3D-решений, недавно выпустила новейшую версию своей новой платформы — V6R2010. На конференции крупнейшие компании, работающие в различных отраслях промышленности, в т.ч. в области электроники, представили результаты внедрения PLMбрендов компании DS: CATIA, SIMULIA, DELMIA, ENOVIA и 3DVIA. В этом году компания начала продвигать свои решения и для российских компаний, занятых в полупроводниковой отрасли. В первую очередь, DS Russia в качестве возможных заказчиков рассматривает «Микрон» и «Ангстрем». Для небольших компаний, ограниченных в финансовых средствах в начале реализации своего проекта, DS предлагает программное обеспечение на условиях аренды. DS Russia рассчитывает на то, что в 2010 г. появятся первые реальные проекты, в которых будут внедрены решения по управлению жизненным циклом изделий в области электроники. www.3ds.ru

электронные компоненты №12 2009

35 Э н е р го с б е р е ж е н и е

бление на уровне около 36 мкА.с в активном режиме и порядка 1,3 мкА.с в дежурном режиме. Если бы данное приложение имело рабочий цикл длительностью 1 с, среднее потребление тока составило бы 37 мкА ((36 мкА.с + 1,3 мкА.с)/(1 с)). Если бы система сбора энергии могла поддерживать постоянную токовую нагрузку на уровне 37 мкА все время, энергетического буфера не потребовалось бы. Однако если использовать солнечную панель, причем без гарантии того, что эта панель все время будет находиться при прямом солнечном свете, то понадобился бы достаточно мощный элемент хранения энергии для поддержания работоспособности приложения в течение всего времени,

DC/DC-преобразователи PEAK для экономичных и портативных приборов Сергей Кривандин, техн. руководитель группы «Источники питания» Андрей Конопельченко, инженер-консультант, «Компэл» Задача энергосбережения становится все более актуальной в связи с увеличением стоимости получения электроэнергии, ограниченностью природных ресурсов и ростом энергопотребления. Один из вариантов решения этой задачи — увеличивать КПД электронных устройств или выключать неиспользуемые в текущий момент блоки и устройства, управляя их электропитанием. Компания Peak Electronics предлагает DC/ DC-преобразователи с высоким КПД 97% или модули мощностью 1…75 Вт с функцией дистанционного включения/выключения. Многие высокоразвитые страны мира, озабоченные неэффективным энергопотреблением, приняли соответствующие стандарты — EuP (Energy Using Product) в Европе; EISA (Energy Independence and Security Act) в США; KEMCO в Южной Корее; MEPS (Minimum Energy Performance Standards) в Австралии и Новой Зеландии. В частности, в директиве EuP речь идет о повышении КПД и снижении энергопотребления таких устройств и систем как освещение зданий, приставки к ТВ-приемникам (set-top-boxes), внешние источники питания, бытовые стиральные и посудомоечные машины, бытовые и промышленные холодильники и морозильники, электродвигатели, водяные насосы, вентиляторы, водонагреватели, телевизоры, кондиционеры, бойлеры, пылесосы и т.д. В ней разработаны принципы энергосбережения, технические ограничения, установлены сроки внедрения требований к новому оборудованию. Энергосберегающие приборы, устройства и системы строятся на основе источников питания, преобразоваТаблица 1. Варианты моделей импульсных стабилизаторов PSR-78 и PSR1-78 компании PEAK Наимено вание*

Диапазон входного Выходное КПД при Uвх КПД при Uвх напряжения, В напряжение, В мин,% макс,% Импульсные стабилизаторы с выходным током 0,5 А, в корпусе SIP3 (11,5×10,2×7,6 мм)

PSR-783R3LF

4,75…28

3,3

PSR-7805LF

6,5…32

5,0

PSR-786.5LF

8…32

6,5

PSR-7809LF

11…32

9,0

PSR-7812LF

15…32

PSR-7815LF

18…32

телей напряжения с высоким КПД, низким собственным энергопотреблением и функцией дистанционного включения/выключения. Импульсные стабилизаторы с высоким КПД 96%

DC/DC-преобразователи с высоким КПД востребованы в портативных электронных приборах, устройствах с питанием от батарей, в системах распределенного питания в качестве POL-преобразователей (Point-of-Load — питание в точке нагрузки). Такими свойствами обладают импульсные стабилизаторы. Это преобразователи постоянного напряжения с широким и ультрашироким входом, стабилизированным выходным напряжением, без развязки вход/ выход, реализованные в компактном корпусе для монтажа на печатную плату. Компания Peak Electronics предлагает разработчикам и производителям электронной техники импульсные стабилизаторы серий PSR-78, PSR1-78 и PSRS-78 с выходным током 0,5 или 1 А в компактных корпусах типов SIP3 или SMD. Импульсные стабилизаторы серий PSR-78xxLF и PSR178xxLF выпускаются в корпусах типа SIP3 (см. рис. 1) и полностью совместимы по расположению и назначению выводов с популярной серией линейных стабилизаторов 78xx: 1 — вход; 2 — общий; 3 — выход. Основные параметры импульсных стабилизаторов серий PSR-78 и PSR1-78: – выходной ток 500 мА (PSR-78xxLF) или 1000 мА (PSR178xxLF); – ряд выходных напряжений 3,3…15 В (см. таблицу 1); – широкий диапазон входного напряжения 4,75…32 В;

Импульсные стабилизаторы с выходным током 1 А, в корпусе SIP3 (11,5×17,5×8,9 мм) PSR1-783R3LF

4,75…28

3,3

PSR1-7805LF

6,5…32

5,0

PSR1-786R5LF

9…32

6,5

PSR1-7809LF

12…32

PSR1-7812LF

16…32

* Суффикс LF (Lead Free) означает бессвинцовое исполнение.

WWW.ELCP.RU

Рис. 1. Внешний вид импульсных стабилизаторов PSR

– точность установки выходного напряжения ±2% (типовое значение); – нестабильность выходного напряжения ±0,2% при изменении входного напряжения во всем допустимом диапазоне U вх; – нестабильность выходного напряжения ±0,4% при изменении нагрузки в диапазоне 10—100%; – высокий КПД 80—95%; – защита от короткого замыкания; – широкий диапазон рабочих температур: –40…85°C. Модели преобразователей серий PSR-78, PSR1-78 отличаются выходным напряжением 3,3; 5; 6,5; 9; 12 или 15 В. Их варианты приведены в таблице 1. Собственное потребление стабилизатора составляет максимум 7 мА при типовом значении 5 мА. Высокое значение КПД говорит о малых потерях при преобразовании, что позволяет разработчику прибора решить задачу отвода тепла без применения радиатора. Преобразователи рассматриваемых серий являются не только экономичными, но и малогабаритными. Размеры корпусов импульсных стабилизаторов PSR-78 и PSR1-78 приведены в таблице 1. Импульсные стабилизаторы имеют встроенную защиту от короткого замыкания и от перегрева. Цепь защиты от перегрева выключает модуль по достижению температуры 150°С внутри корпуса стабилизатора. Преобразователи этих серий могут выдавать выходной ток 500 или 1000 мА в диапазоне температур окружающей среды –40…71°С, а при повышении температуры от 71 до 85°С выходной ток снижается на 40% до 300 или 600 мА, соответственно. Типовая схема включения импульсного стабилизатора PSR приведена на рисунке 2. Для лучшей фильтрации шумов и помех производитель рекомендует устанавливать керамические или танталовые конденсаторы С1 и С2 на входе и выходе преобразователя. Рекомендуемые параметры конденсаторов приведены в таблице на рисунке. С помощью импульсных стабилизаторов PSR-78 можно получить отрицательное или двуполярное напряжение (см. рис. 3). Номиналы конденсаторов С1 и С2 те же, назначение конденсатора C3 аналогично C1, а С4 — C2. В программе поставок компании Peak Electronics имеются импульсные стабилизаторы в SMD-корпусах, это серия PSRS-78xxLF (см. рис. 4). Основные параметры преобразователей серии PSRS78xxLF: – выходной ток 500 мА; – ряд выходных напряжений 3,3…15 В (см. таблицу 2); – подстройка выходного напряжения; – дистанционное включение/выключение; – широкий вход до 28 В; – точность установки выходного напряжения ±2% (типовое значение); – нестабильность выходного напряжения ±0,2% при изменении входного напряжения во всем допустимом диапазоне Uвх; – нестабильность выходного напряжения ±0,3% при изменении нагрузки в диапазоне 10—100%;

Серия PSR-783R3LF, PSR-7805LF Остальные PSR-78 PSR1-78xxLF

C1 C2 10 мкФ×50 В 22 мкФ×10 В 10 мкФ×50 В 10 мкФ×25 В 22 мкФ×50 В 100 мкФ×25 В (электролит)

Рис. 2. Типовая схема включения импульсных стабилизаторов PSR-78 и PSR1-78

а)

б)

Рис. 3. Схемы включения стабилизатора PSR-78: а) отрицательное напряжение на выходе; б) двуполярное напряжение

Таблица 2. Варианты моделей импульсных стабилизаторов PSRS-78xxLF в SMDкорпусе с выходным током 500 мА Наименование Uвх, В Uвых, В PSRS-783R3LF

4,5…28

3,3

Диапазон подстройки КПД при Uвх макс,% Uвых, В 1,8…5,5

PSRS-7805LF

6…28

2,5…8,0

PSRS-7812LF

14…28

4,5…13,5

PSRS-7815LF

17…28

4,5…15,5

Рис. 4. Импульсный стабилизатор PSRS-78xxLF в SMD-корпусе

электронные компоненты №12 2009

Рис. 5. Типовая схема включения импульсного стабилизатора PSRS-78xxLF

– высокий КПД 90—96%; – защита от короткого замыкания; – широкий диапазон рабочих температур: –40…85°C. Импульсные стабилизаторы PSRS-78xxLF работают в диапазоне температур –40…71°C без ограничения выходной мощности и не требуют дополнительного отвода тепла. Типовая схема включения PSRS-78xxLF приведена на рисунке 5. Предложенную схему можно применять «как есть». Конденсаторы C1 и C4 выполняют роли входного и выходного фильтров, соответственно. Рекомендуемые параметры С1 = 10 мкФ×50 В, С4 = 22 мкФ×16 В для стабилизаторов с выходами 3,3 или 5 В и 10 мкФ×25 В для остальных моделей серии. К выводу управления 10 "ON/ OFF" необходимо подключить конденсатор С2 = 100 нФ, а к выводу 6 "Vadj" — конденсатор C3 = 470 пФ. При таком номинале С2 включение модуля питания будет осуществляться с задержкой 64 мс. Для реализации другого времени задержки следует включить конденсатор соответствующей емкости, значение которой можно рассчитать по формуле , где t — время задержки; Iупр = 2,5 мкА; Uупр = 1,25 В. Отличительными особенностями модулей PSRS-78 являются возможности дистанционного включения/выключения и подстройки выходного напряжения. Пример схемы включения PSRS-7805LF с цепями управления приведен на рисунке 6. Таблица 3. DC/DC-преобразователи PEAK с дистанционным включением/выключением Серия

Pвых, Вт Корпус

Варианты Uвх, В

Варианты Uвых, В

DC/DC-преобразователи без подстройки выходного напряжения

PC6NG

PC10NG

PC14NG

P10RG

P14RG

P44TG-2:1 P44TG-4:1 P15VG

12 15

PK15VG PK20VG

SIP8

4,5…9; 9…18; 18…36; 36…72

3,3; 5; 9; 12; 15; 24

SIP9

9…36; 18…72

3,3; 5; 12; 15

DIP24

1''×1''

9…18; 18…36; 36…72 2,5; 3,3; 5; 12; 15; ±12; ±15 9…36; 18…72

3,3; 5,1; 12; 15; ±5; ±12; ±15

9…18; 18…36; 36…72

3,3; 5,1; 12; 15

DC/DC-преобразователи с подстройкой выходного напряжения P48WG-2:1 P48WG-4:1

2''×1''

9…18, 18…36, 36…72 9…36, 18…75

PHxxYG

18…30 2''×1,6'' 9…18, 18…36, 36…72

PHxxXG

23…40 2''×2''

PHxxZG

3,3; 5; 12; 15; ±12; ±15

3,3; 5; 12; 15; 24; ±5; ±12; ±15 9…18, 18…36, 33…75 3''×2,6'' 36…72, 9…36, 18…75

WWW.ELCP.RU

Рис. 6. Пример схемы включения PSRS-78 с цепями управления включением и установки Uвых

Конденсаторы C1 (10 мкФ×50 В) и C2 (22 мкФ×50 В) должны быть керамическими и размещаться на печатной плате как можно ближе к соответствующим выводам импульсного стабилизатора. Для лучшей фильтрации шумов рекомендуется включить на выходе LC-фильтр, состоящий из дросселя индуктивностью 10…48 мкГн и конденсатора C3 емкостью 100 мкФ. Цепь R1-R2 задает значение выходного напряжения стабилизатора, формулы для расчета сопротивлений этих резисторов приведены в фирменном описании (data sheet) изделия. Подключение конденсатора C5 = 470 пФ к выводу 6 "Vadj" необходимо в любом случае (см. рис. 5 и 6). Управление включением/выключением стабилизатора можно выполнить с помощью микроконтроллера: затвор полевого транзистора (драйвера) подключается непосредственно к выходу микроконтроллера (см. врезку на рис. 6). Стабилизатор включается при подаче на вывод 10 "ON/OFF" напряжения 1,5…6 В и выключается при напряжении менее 1 В или соединении с корпусом GND. Потребление по цепи управления составляет 2 мкА. В выключенном состоянии основные цепи преобразователя PSRS-7805LF потребляют из входной цепи постоянного тока 15 мА. Таким образом, серия PSRS-78 импульсных стабилизаторов в SMD-корпусах является более «продвинутой» по сравнению с версиями PSR-78 и PSR1-78, поскольку она реализует два энергосберегающих свойства: высокий КПД более 90% и дистанционное выключение питаемых цепей, когда те не работают. Импульсные стабилизаторы PSR-78, PSR1-78 и PSRS-78 имеют высокий КПД, низкое собственное энергопотребление, не нуждаются в радиаторе, занимают мало места на плате, что определяет их основные области применения: – устройства с батарейным питанием; – цепи с нестабильным напряжением на шине постоянного тока; – системы распределенного питания; – малогабаритные устройства; – цепи питания микроконтроллеров, микропроцессоров, ПЛИС. DC/DC-преобразователи с дистанционным включением/выключением

Функция дистанционного включения/выключения позволяет перевести DC/DC-преобразователь и питаемые им цепи в режим ожидания, что позволяет сохранять электрическую энергию тогда, когда эти цепи не работают и не востребованы для функционирования оборудования в текущий момент. Компания Peak Electronics предлагает широкий выбор DC/DC-преобразователей мощностью 1…75 Вт с дистанционным включением/выключением: список серий и основные электрические параметры таких модулей приведены в таблице 3. Особый интерес представляют популярные изделия мощностью 1, 2 или 3 Вт серий PC6NG, PC10NG и PC14NG

Рис. 7. Схема включения преобразователей PC6NG, PC10NG, PC14NG с дистанционным включением/выключением

Рис. 8. Схема включения мощных DC/DC-преобразователей PEAK с дистанционным включением/выключением и подстройкой выходного напряжения

соответственно. Эти преобразователи имеют следующие параметры: – малогабаритный корпус типа SIP8; – широкий вход 4,5…9; 9…18; 18…36 или 36…72 В; – варианты выходного напряжения: 3,3; 5; 9; 12; 15 или 24 В, в зависимости от модели; – электрическая прочность изоляции вход-выход 1 или 3 кВ; – диапазон рабочих температур: –40…85ºС. Особенностью этих маломощных DC/DC-преобразо вателей является стабилизация выходного напряжения. Обычно у DC/DC-преобразователей мощностью 1…3 Вт нестабильность выходного напряжения составляет 10% от номинального значения, а модули серий PC6NG, PC10NG, PC14NG имеют нестабильность Uвых всего 1%. Это свойство позволяет применять данные модули для питания микропроцессорных систем и ПЛИС. Типовая схема включения преобразователей PC6NG, PC10NG, PC14NG с дистанционным включением/выключением приведена на рисунке 7. Вывод Ctrl предназначен для дистанционного управления включением/ выключением. Модуль включается, если подать на него напряжение в диапазоне 0…0,8 В, и выключается, если установить напряжение 5 В. Потребление тока по управляющему выводу составляет 5 мА. Реализовать схемотехнически эту функцию можно при помощи микроконтроллера или на трех дискретных элементах: резисторе R1, стабилитроне VD1, оптроне VT1 (показана только приемная часть оптрона). Цепь, состоящая из резистора и стабилитрона, необходима для получения напряжения величиной 5 В. Оптрон — гальванически развязанный ключ, который, в зависимости от своего состояния, либо подает напряжение 5 В на управляющий вывод DC/DC-преобразователя, либо нет. Рекомендуется применить в этой цепи популярные стабилитрон 1N4732A и оптрон H11A817A. Номинал резистора R1 можно рассчитать по формуле

включения/выключения DC/DC-преобразователей PEAK (см. табл. 3) аналогичны схеме рисунка 7. Особенностью мощных модулей питания 20…75 Вт (см. табл. 3) является наличие дополнительного вывода trim (подстройка), который позволяет установить нестандартное значение выходного напряжения преобразователя. На рисунке 8 приведена типичная схема включения. На входе мощного модуля питания рекомендуется поставить П-образный LC-фильтр для соответствия требованиям стандартов EN61000-4-4 (устойчивость к помехам от быстропротекающих переходных процессов) и EN61000-4-5 (устойчивость к броскам тока). Конкретные номиналы конденсаторов и индуктивности дросселя указаны для каждого типа модулей питания в фирменных описаниях. Резисторы R1 и R2 нужны для подстройки выходного напряжения, если эта функция используется в конкретном изделии.

, где Uвх — входное напряжение преобразователя; Iстаб — ток стабилизации стабилитрона; Uстаб — напряжение стабилизации стабилитрона (5 В в нашем случае). DC/DС-преобразователи серий PC10NG, PC14NG имеют «широкий» вход 2:1, а модули тех же мощностей 2 или 3 Вт серий P10RG, P14RG обладают «ультрашироким» входом 4:1, что более универсально, т.к. их можно применять в аппаратуре с двумя шинами питания: 12 и 24 В или 24 и 48 В постоянного тока. В преобразователях серий P44TG и P(K)15VG, PK20VG достигается достаточно высокая мощность 12, 15 или 20 Вт, соответственно, в стандартных весьма компактных для таких мощностей корпусах DIP24 или 1”×1”. В корпусе 2”×1” реализованы преобразователи мощностью не 15, а 20 Вт: это модули серии P48WG. Изделия PHxxYG, PHxxXG, PHxxZG — самые мощные в линейке поставок компании PEAK. Схемы дистанционного

WWW.ELCP.RU

Сайт catalog.compel.ru — эффективный инструмент для выбора DC/DC-преобразователей

Для быстрого поиска источников питания и DC/DC-преобразователей по заданным параметрам удобно воспользоваться сайтом catalog.compel.ru. На нем представлено большинство электронных компонентов, поставляемых компанией «Компэл». Для параметрического поиска сначала требуется выбрать тип нужного компонента. Например, для поиска импульсных стабилизаторов необходим следующий путь (см. в левой части главного окна): Источники питания → DC/DC → Импульс. стабилизаторы. На сайте появится окно с возможностью задания требуемых параметров. Выбрав выходной ток 0,5 А, можно получить список импульсных стабилизаторов именно с таким значением параметра. Щелкнув мышью наименование изделия, можно открыть страницу с его описанием на русском языке, ссылкой на фирменное описание, информацией о наличии на складе и цене компонента, в зависимости от количества. Кроме того, все указанные в статье вспомогательные компоненты можно найти на сайте и складе компании «Компэл». Для параметрического поиска рекомендуется использовать программу для просмотра сайтов (обозреватель) Google Chrome. Работа в этом обозревателе ускоряет поиск в несколько раз. Для подробного ознакомления с возможностями поиска на catalog.compel.ru можно нажать кнопку «Помощь» в левой верхней части главной веб-страницы этого сайта. Заключение

Компания Peak Electronics предлагает широкую линейку импульсных стабилизаторов и DC/DC-преобразователей с высоким КПД и дистанционным включением/выключением, с помощью которых можно реализовать современные электронные приборы с энергосберегающими свойствами в различных областях техники.

Выбор и использование датчиков движения на основе МЭМС Стив Назири (Steve Nasiri), Дэвид Сакс (David Sachs), Михаэль Майа (Michael Maia), компания InvenSense .

Статья посвящена системам обработки движения. Рассмотрены принципы, лежащие в основе этих систем, и описаны характеристики, достоинства и недостатки различных типов датчиков и решений. Указаны факторы, которые необходимо учитывать при проектировании системы обработки движения. Даны рекомендации по выбору датчиков. Обработка движения — новая прорывная технология, с которой начнется волна инноваций в проектировании карманных потребительских устройств, пользовательского интерфейса и систем управления. Эта технология предполагает детектирование движения в трехмерном пространстве, измерение параметров (скорости, угловой скорости, направления, ускорения, момента и т.д.) и передачу данных в процессор. С появлением коммерческих устройств инерциального измерения (IMU — inertial measurement unit), основанных на МЭМС, развитие обработки движения стало идти еще быстрее. Устройства IMU, оснащенные инструментами обработки движения, обеспечивают более простой пользовательский интерфейс (интуитивная навигация) и управление устройством без нагромождения операций и меню. Для начала рассмотрим принцип распознавания передвижения. Распознавание движения

Д ат ч и к и

В некоторых современных мобильных устройствах используются акселерометры, измеряющие параметры движения по трем осям. Этого недостаточно, поскольку по трем осям можно разложить только поступательное или только вращательное движение. Для полноценной обработки необходимы шесть осей измерения.

Рис. 1. Механизм возникновения силы Кориолиса

www.elcp.ru

Главное звено в системе распознавания движения — гироскоп, который традиционно используется для определения абсолютной скорости вращения. Гироскоп реагирует на изменение потока энергии между двумя резонансными положениями структуры, обусловленное силой Кориолиса, которая возникает при вращении внутренней рамы и пропорциональна скорости вращения (см. рис. 1). Гироскопы измеряют угловую скорость Ω по величине силы Кориолиса. Вибрационные гироскопы стержневого типа обычно содержат пару вибрирующих масс, например, в форме стержней (как ветви камертона), которые осциллируют с одинаковой амплитудой и в противоположных направлениях. Когда гироскоп начинает вращаться, возникает сила Кориолиса, направленная перпендикулярно вектору скорости и пропорциональная его модулю. Величина скорости измеряется емкостным способом между зубьями гребенки по периметру вибрирующей структуры и зубьями неподвижной рамки, окружающей стержни. Гироскоп проектируется так, чтобы возникающее в нем ускорение Кориолиса было максимальным, а трение — минимальным. Датчики ускорения (акселерометры) позволяют детектировать только простое движение, например, определять угол наклона или ориентацию устройства в пространстве. С их помощью можно измерить только сумму поступательного и центробежного ускорений, силу тяжести и колебательную силу, вызывающую вибрацию. Для выделения одной компоненты, например, поступательного движения, необходимо использовать дополнительный гироскоп, который точно измерит угловую скорость вращения. Таким образом, для более сложных задач, таких как оптическая стабилизация изображения, акселерометры непригодны. Для коррекции погрешности измерения параметров вращательного движения некоторые производители вместо гироскопов используют магни-

тометры. Эти устройства определяют вращательное движение устройства по отношению к северному магнитному полюсу Земли. Они обычно применяются для переориентации карты на дисплее, чтобы ее положение соответствовало направлению движения пользователя. Магнитометры работают сравнительно медленно, поэтому они не подходят для использования в системах, вращающихся с частотой более 5 кГц. Кроме того, они не защищены от искажения данных в присутствии внешних магнитных полей, создаваемых, например, микрофоном, аудиогарнитурой или металлическим предметами. Гироскопы — единственные инерционные датчики, позволяющие точно и без задержки измерить параметры вращательного движения. Они не подвержены никаким внешним воздействиям, в том числе магнитным и гравитационным. Появление кремниевых гироскопов на основе МЭМС и снижение их стоимости позволило существенно расширить функциональность мобильных устройств. Помимо доступной цены, гироскопы на основе МЭМС имеют другие достоинства: малый размер и высокую точность. Выбор датчика

Для определения всех параметров движения необходимо проводить измерения по трем осям поступательного и трем осям вращательного движения. Среди разработчиков портативных устройств бытует неверное представление, что для системы обработки движения нужно использовать либо гироскопы, либо акселерометры. На самом деле, для качественного измерения скорости и направления поступательного и вращательного движения необходимы оба вида датчиков. Гироскопы в одиночку могут использоваться для измерения вращательной компоненты. Системы на основе датчиков ускорения могут использоваться в приложениях с неподвижной системой координат, а

Обработка движения

При разработке системы детектирования и обработки движения первое, с чем сталкивается инженер, это выбор модели датчика ускорения, гироскопа или интегрального решения для своего приложения. У каждого подхода есть свои достоинства и недостатки. Рассмотрим некоторые соображения совместимости, которые следует учитывать. 1. Для максимального расширения функциональности в схеме следует предусмотреть несколько приложений, например, навигатор GPS, помощник водителя и интуитивный интерфейс пользователя, управляемый жестами. Для работы всех этих приложений требуются различные скорости выборок гироскопа, поэтому необходимо преду смотреть защитные меры, чтобы данные разных приложений не накладывались друг на друга. 2. Достоверность вычисления угловых координат в значительной мере зависит от стабильности тактирования гироскопа. 3. Акселерометры и гироскопы должны делать выборки синхронно, чтобы правильно интерпретировать их и определить положение устройства в пространстве. 4. Частоты, на которых работают гироскопы, не должны интерферировать друг с другом, а также с другими каналами, использующимися в устройстве. Обычно акселерометры и гироскопы классифицируются по техническим характеристикам, однако во многих случаях их лучше разделять по назначению. Пример соответствующей классификации приведен в таблице 1. В

последней колонке указан полный диапазон работы гироскопа в градусах в секунду (dps — degree per second) и соответствующая чувствительность (мВ/dps). Харак теристики цифровых датчиков ускорения, которые обычно применяются в системах обработки движения, выражаются, как правило, долями гравитационного ускорения, а чувствительность измеряется в единицах [младший значащий разряд/g]. Фильтрование

Обычно для обработки движения требуется гибкая система фильтрования. Шумовые характеристики и полоса сигнала, как правило, меняются в зависимости от производимого в данный момент действия. Существуют два основных метода фильтрования: аналоговый (фильтр на основе АЦП или RC-цепи) и цифровой (производится в процессоре после АЦП). Аналоговый фильтр применяется обязательно для предупреждения наложения данных. Для задач обработки движения, в которых полоса сигнала меняется, оптимальный выбор — включить програм-

мируемый цифровой фильтр после аналогового. Мобильные устройства, оснащенные функцией обработки движения, имеют дополнительные функции, такие как стабилизация изображения в

Рис. 2. Алгоритм объединения данных

43 Д ат ч и к и

также для измерения угла поворота или параметров поступательного движения. Другими словами, они подходят только для тех случаев, когда система не совершает свободного вращения. Для одновременного анализа поступательного и вращательного движения необходимы и гироскоп, и акселерометр. Датчики ускорения имеют большую точность измерения, когда устройство покоится, а МЭМСгироскопы — когда оно движется. Для объединения данных, полученных от датчиков, обычно используется алгоритм обработки данных из разных источников (см. рис. 2). При выборе способа обработки движения следует проводить тщательный анализ многих факторов, включая полный диапазон работы устройства, чувствительность, напряжение смещения, шумовые характеристики, чувствительность между осями, влияние температуры, влажности и механическую прочность устройства.

Рис. 3. Структура системы обработки движения с дискретными датчиками Таблица 1. Классификация гироскопов по назначению Назначение Стабилизация изображения Навигация 3-D удаленное управление

Чувствительность гироскопа, мВ/dps 20…50 4…15 2,0

Полный диапазон измерений, dps 20…43 50…67 500

электронные компоненты №12 2009

Рис. 4. Интегральная схема обработки движения

Д ат ч и к и

камере, пользовательский интерфейс, навигация. Для них требуются полосы частот. Например, для получения навигационных сигналов с частотой до 1 Гц частота выборки должна быть 10 Гц, а полоса пропускания фильтра согласно правилу Найквиста (отсечение всех сигналов, частота которых не меньше половины частоты дискретизации) составляет менее 5 Гц. Однако этот фильтр может создавать помехи в других приложениях, реализованных в устройстве. В связи с этим необходимо использовать такой фильтр, полоса которого покрывает все диапазоны фильтрации, требуемые приложениями, и цифровой фильтр, который будет подстраиваться под требования конкретного приложения. Если схема обработки движения не интегральная (см. рис. 3), то может потребоваться МК для осуществления выборок. В полностью интегральных решениях (см. рис. 4) в состав блока АЦП обычно входят фильтры заданных частот. За ними следуют цифровые фильтры, которые используются в случае необходимости. Точность тактирования

Точность тактирования очень важна, особенно при определении угловых координат гироскопа, которые вычис-

ляются путем перемножения угловой скорости на частоту дискретизации: α = ω .ΔТ,

(1)

где α — данные, полученные от гироскопа; ω — угловая скорость гироскопа; ΔТ — промежуток времени. Из выражения (1) видно, что правильность тактирования гироскопа так же важна, как и точность определения угловой скорости. Синхронизация данных

Поскольку современные мобильные устройства оснащены не одним датчиком, то важно синхронизовать получение данных от разных датчиков. Самая высокая точность может быть получена тогда, когда данные с акселерометра и гироскопа считываются синхронно. Однако, если у них разные требования по тактированию, этот процесс усложняется. Существуют и другие методики, например, сбор данных с цифрового датчика ускорения через интерфейс I2C. Этот метод не подходит для аналогового гироскопа. В этом случае преимущество имеют законченные интегральные решения, в которых заведомо гарантируется синхронность сбора данных.

Частотный диапазон

Разработчик должен проверить, что частотные спектры в системе не перекрываются. Например, гироскопы, работающие в диапазоне звуковых частот ниже 5 кГц, не следует использовать вблизи источников звука — телевизоров, радио, громкоговорителей и т.д. Наушники обычно работают в диапазоне 20 Гц…20 кГц, а оптическая стабилизация изображения — на частотах 500 Гц…4 кГц. В системах обработки движения компании InvenSense используются более высокие частоты: по оси Х — 24 кГц, по оси Y — 27 кГц, по оси Z — 30 кГц. Таким образом, диапазоны работы отдельных блоков не накладываются друг на друга. Заключение

Несмотря на то, что в настоящее время датчики движения представлены на рынке в большом разнообразии, с развитием систем обработки движения предпочтение будет отдаваться полнос тью интегральным решениям.

Литература 1. Steve Nasiri, David Sachs and Michael Maia. Selection and integration of MEMS-based motion processing devices//www.dspdesignline. com/howto/218401101#.

События рынка

| Семинар компании Mentor Graphics | 27-го ноября в Москве состоялcя четвертый семинар компании Mentor Graphics по проектированию и верификации систем на кристалле. Семинар был организован дистрибьютором Mentor Graphics — компанией Megratec. Присутствовало около 70-ти человек от 32-х компаний. На семинаре был представлен весь комплекс средств проектирования и верификации СнК — от концептуального уровня до подготовки производства и пост-производственного тестирования. В первой части семинара с докладами выступили Бенуа Гретер, техн. директор по Европейскому региону; Жан-Мари Сен-Пол, вед. специалист Mentor Graphics; Алексей Рабоволюк, вед. специалист Megratec; Иван Селиванов, Megratec. Вторая часть семинара была посвящена вопросам физического проектирования и верификации. В заключительном выступлении Андрей Лохов, директор Megratec, рассказал о текущих успехах и дальнейших планах по продвижению продукции Mentor Graphics на российском рынке. www.megratec.ru

www.elcp.ru

Реализация функции термодатчика во встраиваемой системе Джон Остин (John Austin), гл. инженер по маркетингу продукции, Эзана Хэйл (Ezana Haile), ст. инженер по применению, Microchip Technology Разработчики сталкиваются с определенными трудностями при реализации термочувствительных функций во встраиваемых системах с помощью термисторов, резистивных датчиков температуры и термопар. В статье рассматриваются ключевые критерии разработки каждого из таких решений, которые сравниваются с полупроводниковыми датчиками температуры. Обсуждается создание гибких и экономичных систем по термоуправлению, использование встроенных функций, позволяющих улучшить характеристики систем. ми каскадами усиления в разных температурных диапазонах и усилителем с программируемым коэффициентом усиления. Общая стоимость системы с высокоточным решением увеличивается. Для термисторов следует установить ток смещения, который задается резистором R1 на рисунке 1. При больших токах разрешение измерений увеличивается, однако при этом повышается и ошибка, что вызвано саморазогревом при рассеивании мощности на термисторе. Высокоточное решение

Резистивные датчики температуры (РДТ) обеспечивают высокую точность измерения температуры и воспроизводимость результатов, а также стабильность. Высокая точность измерений достигается при температурах в несколько сотен градусов Цельсия. Для реализации этих характеристик в соответствии с современными мировыми стандартами и спецификациями требуется тщательная настройка и калибровка РДТ. В базовой схеме РДТ должен находиться источник стабилизированного тока для смещения и измерительное устройство (например, усилитель) для измерения напряжения на РТД. Такое решение может оказаться дорогостоящим из-за цены измери-

тельного усилителя и необходимости выполнения ручных операций, включая настройку диапазона измерения, калибровку коэффициента усиления и напряжений смещения. Выход усилителя подключается к АЦП для оцифровки. Назначение других цепей состоит в преобразовании изменяющегося сопротивления в частоту. Например, на схеме рисунка 2 показана цепь релаксационного генератора с RC-контуром и компаратором, с помощью которой формируется частота, пропорциональная изменяющейся температуре. Сигнал с меняющейся частотой поступает непосредственно на микроконтроллер для оцифровки. При разработке схемы РДТ следует учесть эффект саморазогрева, вызванный рассеиванием мощности на резисторе. РДТ обеспечивают высокую степень воспроизводимости и точность измерений в широком температурном диапазоне. При оптимизации решений с РДТ следует учитывать стоимость, сложность проектирования и энергопотребление системы, состоящей из нескольких активных компонентов. Термопары

Термопары работают в широком диапазоне температур: –270…1372°С. «Американское общество специалистов по испытаниям и материалам» (American

Рис. 1. Цепь термистора с НЧ-фильтром и усилителем

электронные компоненты №12 2009

45 Д ат ч и к и

Наиболее часто для измерения температуры используются термисторы, которые изготовлены на полупроводниковых материалах и имеют положительный или отрицательный температурный коэффициент (PTC или NTC, соответственно). Сопротивление термистора изменяется с температурой — PTC увеличивается при повышении температуры, а NTC — уменьшается. У термисторных решений имеется несколько преимуществ. Термисторы обладают высокой чувствительностью к изменению температуры и быстрой тепловой реакцией. Их стоимость невысока. Наиболее существенный недостаток этих устройств — нелинейность в широком температурном диапазоне. На рисунке 1 показана цепь термистора с НЧ-фильтром и усилителем, коэффициент усиления которого равен единице. Назначение НЧ-фильтра, образованного R2 и C1, заключается в фильтрации шума от датчика, а усилитель используется для управления резистивными или емкостными нагрузками. Напряжение на термисторе VTH изменяется пропорционально температуре. На графике видно, что эта зависимость линейна в диапазоне 0…70°С, однако вне этого диапазона характеристика явно нелинейная. Сопротивление зависит от температуры в значительно меньшей степени, по сравнению с линейным диапазоном. Чтобы повысить разрешение измерений при очень высоких и очень низких температурах, сигнал требуется усилить. Термисторы позволяют установить точный контроль над температурой в ограниченном диапазоне. Для того чтобы обеспечить высокую точность контроля в более широком диапазоне, требуется сложная схема с нескольки-

Рис. 2. Цепь релаксационного генератора с RC-контуром и компаратором для формирования частоты, изменяющейся пропорционально температуре

Society for Testing and Materials) определило категории термопар для коммерческого применения в соответствии с их рабочими характеристиками. К типам E, J, K, N и T относятся термопары на основе неблагородных металлов, используемые для измерения температур в диапазоне –270…1372°С. К типам S, R и B принадлежат термопары на основе благородных металлов, используемые для измерения температур в диапазоне –50…1820°С. В термопарах применяются два металлических сплава — алюмель и хромель, электрические параметры которых зависят от температуры. Генерируемое термопарой напряжение измеряется на ее свободном конце с помощью вольтметра. Величина напряжения изменяется пропорционально температуре. Термопары имеют

нелинейные характеристики, и потому для их использования требуются алгоритмы линеаризации. Сварное соединение термопары называют тепловыделяющим спаем, а свободный конец — теплопоглощающим. Температура измеряется путем установления разности между значениями температуры на тепловыделяющем и теплопоглощающем спаях. Температура на теплопоглощающем спае измеряется с помощью термисторов, РДТ или полупроводниковых датчиков температуры. Полный диапазон напряжений термопары составляет менее 100 мВ, и потому требуется высококачественное устройство формирования аналогового сигнала. На рисунке 3 показана типовая схема термопары. В промышленных приложениях термопара подключается к измерительной системе с фильтром электромагнитных помех. Выводы термопары подключаются к положительному и отрицательному выводам источника питания через резисторы с большим сопротивлением, благодаря чему схема позволяет обнаружить обрыв цепи. Для формирования уровня аналогового сигнала применяются усилитель с автоустановкой нуля или усилитель постоянного тока с модуляцией и демодуляцией сигнала из-за низкого напряжения смещения и подавления синфазных помех. Схема компенсации температуры

Д ат ч и к и

46 Рис. 3. Типовая цепь термопары

Рис. 4. Типовые приложения с использованием микросхем датчиков температуры с логическим выводом

www.elcp.ru

холодного спая реализуется с помощью полупроводникового датчика температуры, размещенного на плате. Полупроводниковые датчики температуры

Многие производители полупроводников изготавливают датчики с диапазоном рабочих температур –55…150°С. Эти устройства можно разделить на три класса — с логическим выходом, с выходом по напряжению и с выходным последовательным интерфейсом. В микросхемы датчиков встроены многие полезные функции, позволяющие удовлетворить требованиям приложения наилучшим образом. Микросхемы датчиков температуры легко устанавливаются в систему, а их встроенные функции позволяют снизить ее суммарную стоимость. Датчики температуры с логическим выходом. Эти устройства, как правило, функционируют как термостат, оповещая систему о том, что температура достигла минимального или максимального значений. Иногда эти датчики называют переключателями температуры, т.к. с их помощью можно включить вентилятор или зажечь сигнальную лампу, например, при достижении максимально допустимой температуры. Как правило, выводы этих устройств не защелкиваются, и потому переключатель выключается при достижении установленной температуры. Для большинства датчиков температуры с логическим выходом задается петля гистерезиса для предотвращения дребезга выходного сигнала. У датчиков температуры логический выход переключается либо при повышении температуры («горячая» опция), либо при ее уменьшении («холодная» опция) относительно некоторого значения, которое задается петлей гистерезиса. На рисунке 4 показано несколько цепей, где используются датчики температуры с логическим выходом. Датчики температуры с выходом по напряжению. Выходное напряжение этих датчиков пропорционально температуре, причем типичное значение температурного коэффициен-

ратуры, откалиброванных с помощью справочной таблицы. Количество точек калибровки зависит от температурного диапазона, требуемой точности и неидеальной характеристики датчика. На рисунке 6 представлен график зависимости точности датчика от температуры до и после компенсации этой неидеальности. Неидеальная характеристика датчика температуры описывается с помощью много члена второго порядка, коэффициенты которого рассчитываются с помощью нескольких точек температурного диапазона. Это уравнение используется для компенсации ошибки датчика при измерении температуры. Уравнение также используется для составления справочной таблицы, которая может храниться в EEPROM-памяти. Некоторые полупроводниковые датчики температуры имеют встроенную память EEPROM объемом 256 байт для хранения неидеальных параметров датчика в справочной таблице. Температурные датчики обладают рядом достоинств и недостатков. Ни один из типов этих устройств не годится для применения во всех приложениях по измерению температуры. Для выбора наиболее подходящего датчика следует определить специфические требования каждого приложения. Термисторы обеспечивают экономичное решение по измерению температуры для приложений в ограниченном температурном диапазоне благодаря нелинейным характеристи-

кам. РДТ позволяют выполнять измерения с очень высокой точностью в диапазоне нескольких сотен градусов Цельсия. Для применения этих датчиков требуются высокопроизводительные системы измерения с возможностью ручной настройки и калибровки, из-за чего повышается их стоимость. Термопары целесообразнее всего использовать в приложениях, которые функционируют в широких температурных диапазонах — менее –200 и более 1000°С. Для этих датчиков требуются высокопроизводительные системы измерения, что приводит к их удорожанию. С другой стороны, полупроводниковые датчики температуры позволяют упростить проект, обеспечив высокую точность измерений в диапазоне –55…150°С. Кроме того, они обладают многими встроенными функциями, которые повышают гибкость системы и улучшают ее параметры.

Рис. 5. Выход устройства, как правило, подключен к внешнему АЦП или микроконтроллеру со встроенным АЦП

Рис. 6. Зависимость точности ИС от температуры с компенсацией ошибки и без нее

электронные компоненты №12 2009

47 Д ат ч и к и

та составляет 6,25; 10 или 19,5 мВ/°С. Преобразователи температуры в напряжение работают в диапазоне –55…150°С и имеют температурное смещение для считывания отрицательных значений в отсутствие отрицательного напряжения питания. Типичные значения рабочего тока составляют десятки мкА, что позволяет снизить саморазогрев при рассеивании мощности и увеличить срок службы батарей. Выход устройства, как правило, подключен к внешнему АЦП или микроконтроллеру со встроенным АЦП, как показано на рисунке 5. Датчики температуры с выходным последовательным интерфейсом. Обычно в датчиках этого типа используются двух- или трехпроводной интерфейс для работы с главным микроконтроллером. Эти устройства имеют встроенный АЦП, который преобразует выходной аналоговый сигнал внутреннего чувствительного элемента в цифровой сигнал. Датчики обеспечивают точность измерения температуры до 0,5°С при разрешающей способности измерительной системы менее 0,1°С. Многие температурные датчики с выходным последовательным интерфейсом имеют программируемые пользователем функции, например возможность оповещения о превышении температуры, а также встроенную EEPROM-память для хранения данных общего назначения. Эти функции позволяют упростить систему, увеличить ее гибкость, повысить точность измерения и уменьшить суммарную стоимость решения. Функция оповещения о несоответствии температуры установленной величине работает так же, как в случае с датчиками с логическим выходом. С помощью последовательного интерфейса главный микроконтроллер устанавливает предельные значения температуры во внутреннем регистре полупроводникового датчика. При уходе температуры от заданной величины датчик оповещает об этом событии главный контроллер. Данная функция позволяет зажечь световой сигнал оповещения или управлять через последовательный интерфейс вентилятором, освободив микроконтроллер от необходимости непрерывно отслеживать изменения температуры. В результате повышается гибкость системы, упрощается разработка для нее программного обеспечения и оборудования. Для многих современных приложений требуется, чтобы точность измерения температуры составляла менее 0,5°С в достаточно широком диапазоне. Более высокая точность достигается при использовании нескольких полупроводниковых датчиков темпе-

Рекомендации по выбору акселерометра Брюс Лент (Bruce Lent), инженер по применению, Endevco Corp. В поисках акселерометра для определенного приложения не только новички, но и опытные пользователи могут прийти в замешательство при изучении каталога производителей акселерометров или веб-сайта. Описанный в данной статье метод позволит разработчику сориентироваться в гуще опций и выбрать оптимальный акселерометр для своего приложения. Публикация представляет собой перевод [1]. Выбор технологии

Д ат ч и к и

На первом этапе процесса выбора необходимо определить тип предполагаемых измерений. Для измерения с помощью акселерометра используются три известные технологии. Пьезоэлектрические акселеромет ры (ПЭА) — наиболее широко применяемые устройства в приложениях по тестированию и измерениям. Эти устройства работают в очень широком диапазоне частот (от нескольких Гц до 30 кГц) и имеют различную чувствительность, вес, размеры и форму. ПЭА имеют зарядовый выход или выход по напряжению и применяются для измерения вибраций и ударов. Пьезорезистивные акселерометры (ПРА), как правило, имеют очень низкую чувствительность, поэтому используются для измерения ударного ускорения и в меньшей степени — при измерении вибраций. Их также широко применяют в испытаниях на ударную прочность при столкновении с препятствием. ПРА функционируют в широкой полосе частот (от нескольких сотен Гц до более чем 130 кГц), при этом их амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) может начинаться от 0 Гц (т.н. DC-датчики) или оставаться неизменной, что позволяет измерять сигналы большой продолжительности. Емкостные акселерометры (ЕА) относятся к устройствам с применением новейших технологий. Как и у пьезорезистивных акселерометров, их АЧХ начинается от 0 Гц. Такие акселерометры имеют высокую чувствительность, узкую полосу пропускания (15…3000 Гц) и высокую температурную стабильность. Погрешность чувствительности в диапазоне рабочих температур до 180°C не превышает 1,5%. ЕА используются для измерений низкочастотных вибраций, движения и установившегося ускорения. Тип измеряемых параметров

Прежде всего, мы кратко опишем базовые типы измерений, а далее остановимся на них подробнее. Мы разделяем измерения на три следующие категории. Вибрация. Объект вибрирует, если он производит колебательные движения относительно положения равновесия.

www.elcp.ru

Вибрацию измеряют в транспортной и авиакосмической промышленностях, а также в промышленном производстве. Ударное ускорение. Измеряемый объект может подвергнуться внезапному механическому воздействию. Ударный импульс поступает от взрыва, молотка или в результате столкновения с другим объектом. Движение. Измерение медленного перемещения в течение долей секунды до нескольких минут, например перемещение руки робота или подвески автомобиля. Сейсмические вибрации. Измерение низкочастотных колебаний, приводящих к незначительному изменению положения тела. Такие измерения требуют специализированных малошумящих акселерометров с высокой разрешающей способностью. Акселерометры для сейсмических исследований измеряют движение мостов, полов, а также сейсмовибрации. Общие понятия

Прежде чем мы обсудим технологии и особенности их применения, дадим несколько определений общего характера. АЧХ — это зависимость электрического выходного сигнала акселерометра от внешнего механического воздействия в частотном диапазоне с фиксированной амплитудой. Это один из основных параметров, от которого зависит выбор того или иного компонента. Диапазон частот обычно определяется серией экспериментов и указывается в спецификации. Как правило, этот параметр указывается с точностью до ±5% от опорной частоты (100 Гц). Многие компоненты специфицированы на ±1 дБ, а в некоторых случаях — на ±3 дБ. Эти значения определяют точность акселерометра в заданном частотном диапазоне. Во многих технических описаниях представлены типичные графики АЧХ, которые иллюстрируют, как изменяется точность компонента в указанных частотных диапазонах. Другим важным параметром акселерометра является число осей измерения. В настоящее время выпускаются

устройства с одной и тремя измерительными осями. В альтернативном варианте создания трехосной системы три акселерометра устанавливаются в один измерительный блок. Оба метода позволяют проводить измерения одновременно по трем ортогональным осям. Вибрация

Пьезоэлектрические акселерометры являются наилучшим выбором при измерении вибраций в большинстве приложений благодаря широкой частотной характеристике, хорошей чувствительности, высокой разрешающей способности и простоте установки. В зависимости от типа выходного сигнала, они подразделяются на устройства с зарядовым выходом и акселерометры со встроенным преобразователем сигнала (Internal Electronic Piezoelectric — IEPE) с выходом по напряжению. Последнее время широко используются IEPE-акселерометры, поскольку они удобны в применении. Несмотря на разнообразие торговых марок и модификаций, все производители этих устройств придерживаются единого (но не утвержденного) промышленного стандарта, и потому акселерометры взаимозаменяемы. Обычно в состав IEPE-акселерометра входит усилитель заряда, благодаря чему не требуются дополнительные внешние компоненты и используется недорогой кабель. Для подключения акселерометра необходим источник постоянного тока. Для измерения вибраций в известном диапазоне и в пределах рабочих температур –55…125°C (до 175°C для высокотемпературных моделей) рекомендуется использовать пьезоэлектрические акселерометры IEPE-типа. Преимущества акселерометров с зарядовым выходом проявляются в возможности работы при высоких температурах и в чрезвычайно широком диапазоне амплитуды, который по большей мере определяется настройками усилителя заряда (акселерометры IEPE-типа имеют фиксированный диапазон амплитуды). Типичный рабочий диапазон температур акселерометров с зарядовым выходом составляет –55…288°C, а специализированные

Ударные ускорения

Для измерения ударных ускорений используются две технологии, в зависимости от силы удара и выходных данных. При выборе типа акселерометра требуется определить значения удар-

ного ускорения в соответствии со следующим списком: – низкий уровень: <500 г; – столкновение: <2000 г; – дальняя зона: 500…1000 г, датчик на расстоянии 2 м от точки удара; – ближняя зона: >5000 г, датчик на расстоянии менее 1 м от точки удара. Для измерения малых ударных ускорений можно использовать акселерометры общего применения. Акселерометр должен иметь линейный диапазон до 500 г и максимально допустимую ударопрочность 500 г. Обычно для этого используются датчики с выходным сигналом по напряжению, т.к. они менее чувствительны к вибрациям кабеля. Для ослабления резонанса рекомендуется использовать усилитель с фильтром нижних частот. Для тестовых испытаний автотранспорта на безопасность обычно используются ПРА. Для измерения ударов в дальней зоне применяются специализированные акселерометры со встроенным фильтром и сдвиговой модой. Как правило, к ним относятся IEPE-датчики малого веса с паяными соединениями. Электронный фильтр уменьшает собственную резонансную частоту акселерометра, предотвращая перегрузку оборудования. Рабочий диапазон акселерометров для измерения в ближней зоне может достигать свыше 20000 г. В этом случае используются как ПЭА, так и ПРА, т.к. выбор зависит от специфики проводимого теста. Как

правило, применяются IEPE-устройства со встроенным механическим фильтром и параметрами, схожими с параметрами акселерометров дальней зоны. Как и при измерении вибрации, частотная характеристика является важнейшим параметром датчиков ударного ускорения, которые должны работать в широком диапазоне частот (около 10 кГц). Измерение движения, постоянного ускорения и НЧ-вибраций

Емкостные акселерометры служат для измерения малых низкочастотных колебаний, выдавая достаточно большой выходной сигнал. Эти устройства обеспечивают высокую стабильность в широком диапазоне рабочих температур. При положении емкостного акселерометра, в котором его ось чувствительности параллельна направлению вектора гравитации, выходной сигнал равен усилию в 1 г. Это явление носит название «DC-отклик». Благодаря такой особенности емкостные акселерометры часто используются для измерения центробежной силы или ускорения грузоподъемников. Емкостные акселерометры применяются для измерения НЧ-вибраций, сообщая данные о фазе. Кроме того, эти датчики с успехом используются для измерения детонаций в автотранспорте и железнодорожной технике благодаря хорошим НЧ-характеристикам.

электронные компоненты №12 2009

49 Д ат ч и к и

устройства могут работать в более широком диапазоне: –269…760°C. В отличие от IEPE-акселерометров, датчики с зарядовым выходом требуют специальных малошумящих кабелей, цена которых значительно превышает цену стандартных коаксиальных кабелей. Для подключения датчиков требуются усилители заряда или встроенные линейные преобразователи заряда. Таким образом, емкостные акселерометры предпочтительны для высокотемпературных (выше 175°C) измерений или в случаях, когда измеряются неизвестные заранее высокие ускорения. В приложениях, где требуется измерять вибрации очень малой частоты, рекомендуется использовать емкостные акселерометры. Их АЧХ изменяется в диапазоне 0 Гц…1 кГц, в зависимости от требуемой чувствительности. При проведении измерений НЧ-вибраций емкостной акселерометр обеспечивает чувствительность 1 В/г. Такие датчики незаменимы в электрогидравлических шейкерах, в автотранспортных приложениях, в тестовых испытаниях машин и конструкций, в системах подвески, железнодорожном транспорте.

Таблица 1. Стандартные значения температуры акселерометров Температурный Тип акселерометра Примечания диапазон, °C Пьезоэлектрический общего назначения –55…260 Диапазон в некоторых случаях расширяется Специализированный тип высокотемпераПьезоэлектрический высокотемпературный –55…650 турного акселерометра Пьезоэлектрический низкотемпературный –184…177 С выходом по напряжению общего назначения –55…125 С выходом по напряжению высокотемпературный –55…175 Пьезорезистивный –55…66 Условия эксплуатации

Д ат ч и к и

После выбора акселерометра и вида тестирования следует учесть ряд других факторов. В первую очередь, необходимо обратить внимание на те условия окружающей среды, в которых этот датчик станет использоваться — на рабочую температуру, максимальные значения ускорения и влажность. В таблице 1 приведены стандартные значения рабочей температуры разных типов акселерометров. Диапазон измерений акселерометра указывается в спецификации дважды, что может запутать пользователя. Действительный диапазон указывается в динамических характеристиках. Например, IEPE-датчик может функционировать в диапазоне до 500g, но при определенных условиях эксплуатации — до 2000g. 500g — максимальный диапазон линейного рабочего режима датчика. Параметры в разделе «Условия эксплуатации» указаны для максимально допустимой величины удара или ускорения. В динамических характеристиках пьезоэлектрических акселерометров зарядового типа не указан рабочий диапазон, т.к. он во многом зависит от усилителя заряда. В разделе динамических параметров указана линейность амплитудной характеристики. Как и в предыдущем случае, максимальный диапазон измерений в определенных условиях эксплуатации характеризует предельную нагрузочную способность акселерометра. Для работы датчиков в условиях влажной среды применяются разные типы корпусов, обеспечивающих герметичность устройств. Если акселерометры используются в космических аппаратах, под водой или подвергаются длительному воздействию избыточно влажной среды, рекомендуется герметичная заделка корпуса. Однако непрерывное изменение температурных условий может нарушить эпоксидную изоляцию корпуса датчика. Поскольку современные технологии производства акселерометров используют немагнитные материалы, магнитная чувствительность редко указывается в спецификации на компоненты. Если датчик предназначен для работы на гибкой поверхности, необходимо установить параметры изгиба его основания. Изгиб поверхности может привести к ошибочному срабатыванию датчика, поэтому в таких случаях следует

www.elcp.ru

избегать применения компрессионных акселерометров. Вес акселерометра

При контакте акселерометра с объектом измеряемое ускорение изменяется. Влияние этого эффекта можно отчасти избежать, если оптимизировать вес датчика. В соответствии с эмпирическим правилом следует стремиться к тому, чтобы вес акселерометра превышал вес объекта испытаний не более чем на 10%. Монтаж

Существует ряд методов установки акселерометра на испытываемое устройство. Перечислим некоторые из наиболее распространенных. Винтовое крепление датчика к поверхности объекта обеспечивает наилучшую возможность передачи данных на высоких частотах, т.к. акселерометр образует единое целое с испытываемым устройством. Характеристику датчика в области высоких частот можно улучшить, капнув немного масла между ним и объектом. При выборе такого метода следует приобретать датчик с возможностью крепления к поверхности. Клеевой монтаж датчика часто выполняется на поверхностях с небольшой площадью и на печатных платах. В качестве адгезива предпочтительно использовать цианакриловый клей, поскольку его в случае необходимости легко удалить. Многие акселерометры специально предназначены для клеевого монтажа, что указывается в технических данных. Датчик с винтовым креплением также можно установить на поверхность контролируемого объекта с помощью клея, однако следует позаботиться о том, чтобы клей не попал в резьбовые отверстия. Заземление

Вопрос о заземлении приобретает большое значение в тех случаях, когда поверхность измеряемого объекта является проводящей и имеет нулевой потенциал. Разность в значениях напряжения земли между электронным оборудованием и акселерометром может привести к образованию заземляющего контура и появлению данных с ошибками. Предлагаемые на рынке акселерометры имеют развязку по земляной цепи или заземленный корпус. У акселероме-

тров с земляной развязкой, как правило, имеется изолированное монтажное основание и, если это возможно, — изолированный крепежный винт. В некоторых случаях весь корпус акселерометра имеет развязку по земляной цепи. Чувствительность и разрешение

В случае если в определенном приложении требуются акселерометры с малым выходным сигналом или широким динамическим диапазоном, такие параметры как разрешение и чувствительность становятся решающими. Акселерометр преобразует механическую энергию в электрический сигнал, который выражается в единицах мВ/г или в пКл/г (для датчиков с зарядовым выходом). Линейка акселерометров представлена несколькими моделями с различной чувствительностью, оптимальное значение которой зависит от уровня измеряемого сигнала. Например, при измерении сильных ударных колебаний применяются датчики с низкой чувствительностью. При измерении малых сигналов лучшим решением является использование акселерометра с высокой чувствительностью, выходной сигнал которого выше уровня шума усилителя. Например, если уровень вибрации составляет 0,1g, а чувствительность датчика — 10 мВ/g, выходное напряжение равно 1 мВ, и потребуется акселерометр с более высокой чувствительностью. Разрешение характеризует минимально различимый сигнал акселерометра. Этот параметр определяется уровнем собственных шумов акселерометра, а в случае IEPE-акселерометра — и уровнем собственных шумов встроенного преобразователя сигнала — и выражается в grms. Другие параметры

Приведенные выше сведения позволяют принять предварительное решение относительно того, какие акселерометры способны выполнить ту или иную задачу по измерению. Однако существуют и другие не менее важные параметры, которые следует обсудить с поставщиками. К числу этих параметров относятся следующие: – формирование сигнала и электропитание; – относительная поперечная чувствительность; – температурная характеристика; – тип кабеля. Дальнейшие вопросы, выходящие за рамки этой статьи, следует обсудить с производителем. ЛИТЕРАТУРА 1. Bruce Lent. Simple Steps to Selecting the Right Accelerometer//www.sensorsmag.com/ sensors/acceleration-vibration/simple-stepsselecting-right-accelerometer-1557.

Дифференциальный датчик давления и потока воздуха Кирилл Тихомиров, научный консультант, «ИД Электроника» В статье на примере изделий компании Microbridge Technologies рассмотрены основные характеристики датчиков потока воздуха, работающих по принципу термометра-анемометра. Канадская компания Microbridge Technologies представила датчики, регистрирующие слабейшие потоки воздуха. Датчики работают по принципу термометра-анемометра и фиксируют минимальную разницу давления. Особенностью разработки является возможность замены датчиков в устройствах и отсутствие необходимости в проведении индивидуальной калибровки. Кроме того, для их работы требуется минимальный набор внешних компонентов, что делает их универсальным и недорогим решением для широкого круга задач.

логовый выход, выход регулировки и смещения и выход температуры. В зависимости от требований, коэффициент усиления аналоговой схемы можно сделать большим или маленьким. Плавная настройка коэффициента усиления осуществляется с помощью регулируемых резисторов, расположенных на плате. Чувствительность датчиков имеет нелинейный вид. Чем ниже импеданс потока, тем выше чувствительность (см рис. 3). Существуют два режима работы датчика:

Рис. 1. Принцип работы датчика потока воздуха

Принцип работы

Рис. 2. Структура устройства

51 Д ат ч и к и

В основе работы датчика лежит принцип работы термометраанемометра, т.е. датчик регистрирует изменение температуры и движение воздушных масс. В датчике имеется канал, по которому проходит воздух (см. рис. 1). Расположенный в канале нагревательный элемент нагревает окружающий его объем воздуха. Температура воздушной массы повышается, вследствие чего на паре термодатчиков, расположенных на противоположных сторонах нагревательного элемента, возникает разница температур. Скорость воздушного потока в канале рассчитывается исходя из разницы давления на противоположных концах канала и по импедансу потока, который по определению равен отношению разницы давлений к скорости передвижения. Структурная схема датчика приведена на рисунке 2. Устройство состоит из самого датчика со встроенным воздушным каналом и аналоговой схемы с регулируемыми резисторами. Резисторы Rejustor (разработка компании Microbridge) — электрически программируемые элементы, сопротивление которых настраивается прямо на плате. Они применяются для калибровки и компенсации в аналоговых схемах. Схема питается от источника постоянного напряжения 5 В и имеет ана-

Рис. 3. Зависимость выходного напряжения от разницы давлений

электронные компоненты №12 2009

– в шунтирующих схемах через датчик проходит очень малый поток воздуха, что позволяет защитить канал от загрязнения; – упрощенные требования к конструкции датчика позволяют использовать корпуса самых разных конфигураций. Внешние компоненты

Рис. 4. Зависимость выходного напряжения датчика с усилением от давления

1. Без усиления или с небольшим усилением. Датчики без усиления используются, например, в медицинском оборудовании, когда нужен широкий динамический диапазон (около 104) и нелинейная форма выходного сигнала (см рис. 3). При большой разнице давлений выходной сигнал ведет себя примерно как квадратный корень из дифференциального давления. В этом режиме выходной сигнал может быть линеаризован с помощью стандартных методов цифровой коррекции. 2. С усилением. В этом режиме сигнал усиливается так, чтобы он достигал насыщения до того, как появится заметная нелинейность на выходной характеристике датчика (см. рис. 4). Это полезно в схемах, где нужен линейный выход и малый динамический диапазон (порядка 102). Датчики с усилением применяются в автомобильной и промыш-

Д ат ч и к и

ленной электронике, системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и т.д. Преимущества высокого импеданса потока

Импеданс потока датчиков может варьироваться в пределах 1…200 кПа/ (миль/с). Рассмотрим два варианта датчика, имеющих импеданс 25 кПа/ (миль/с) (тип А) и 60 кПа/(миль/с) (тип В). Датчики с более высоким импедансом потока имеют следующие преимущества: – не нужна повторная калибровка датчика при работе с трубопроводами разной длины или диаметра, поскольку импеданс потока определяется только геометрией датчика; – имеется возможность использования газовых фильтров с переменным импедансом потока;

Одним из преимуществ рассматриваемых датчиков потока является их универсальность. Они содержат практически все необходимые элементы и схемы. В обоих режимах для работы датчика требуется только простая схема смещения и компенсации усиления. Коррекция температуры и барометрического давления производится с помощью стандартных таблиц соответствия в цифровом блоке посткоррекции. Характеристики датчиков имеют небольшой разброс от прибора к прибору, поскольку они в основном определяются внешними факторами (температура, давление). На рисунке 4 приведены зависимости выходного напряжения от давления для пяти датчиков одного и того же типа. Как видно, кривые практически совпадают (с погрешностью 0,5%), что говорит о высокой стабильности параметров. Благодаря высокому импедансу потока, при замене трубопровода или самого датчика не требуется индивидуальная калибровка. Все это позволяет использовать датчики Microbridge в самых разных областях применений. Литература 1. Micro-flow based differential pressure sensor//Microbridge Technologies, White paper.

События рынка

| Компания PLX Technology анонсирует переход к 40-нм технологическому процессу | Компания PLX Technology — ведущий мировой производитель программно-аппаратных интерфейсных продуктов для промышленных и потребительских рынков, анонсирует переход к новому 40-нм технологическому процессу. Благодаря этому переходу открываются новые возможности для разработчиков. Как известно, решения PLX Technology традиционно сочетают высокую производительность, малое потребление и широкие возможности программного обеспечения. В компании намерены активно использовать 40-нм технологию для разработки новых продуктов в ближайшие несколько лет, в том числе для нового поколения микросхем для PCI Express® (PCIe®) Gen 3. Для производства кристаллов по новому технологическому процессу был выбран завод TSMC ( Taiwan Semiconductor Manufacturing Corporation). По словам Майка Грюбисича (Mike Grubisich), вице-президента PLX Technology, выбор был сделан неслучайно: данное предприятие уже зарекомендовало себя в качестве лидера в области производства кристаллов по 40-нм технологии. Компания «Макро Групп» — официальный дистрибьютор PLX Technology в России. Все продукты PLX Technology доступны для заказа в офисах компании. www.macrogroup.ru

www.elcp.ru

МЭМС-датчики движения от STMicroelectronics: акселерометры и гироскопы Джафер Меджахед, менеджер по продукции STMicroelectronics, ЗАО «Компэл» Большая популярность МЭМС-акселерометров и гироскопов обусловлена их широким потенциалом для использования как в бытовой, так и в промышленной технике. МЭМС-датчики широко применяются и в автомобильной промышленности для управления подушками безопасности, и в охранной сигнализации, в навигационных системах для исчисления пройденного пути или определения маршрута следования. С 2008 г. компания STMicroelectronics занимает лидирующие позиции в производстве МЭМС-датчиков движения для портативной и бытовой электроники, охранных, автомобильных и навигационных систем. В настоящее время STMicroelectronics — мировой лидер в производстве МЭМС-акселерометров (см. табл. 1). Компания выпускает датчики на базе 200-мм кремниевых пластин, что обеспечивает более низкую себестоимость, по сравнению с конкурентами. Основные достоинства технологии МЭМСдатчиков компании ST

Малый разброс параметров в пределах изделия. Изготовление компонентов в едином технологическом цикле позволяет получать практически неотличимые параметры у одинаковых компонентов. Высокая технологичность и повторяемость. При изготовлении МЭМС-устройств в основном применяются хорошо отработанные и управляемые технологические процессы, что позволяет получать изделия с желаемыми характеристиками. Микроминиатюрность. Применение технологии микросхем позволяет получить микромеханические и оптические узлы значительно меньших размеров, чем это возможно по традиционным технологиям. Высокая функциональность. Миниатюрность изделия и возможность изготовления датчиков, обрабатывающих схем и исполнительных механизмов в одном устройстве позволяет создавать законченные системы достаточно большой сложности в миниатюрном корпусе. Улучшенные характеристики функционирования. Электронная часть, а также электрические каналы связи с датчиками и механизмами, выполненные по интегральной технологии и имеющие малые размеры, позволяют улучшить такие характеристики как рабочие частоты, ЭМС, соотношение сигнал/шум и т.д. Высокая точность и повторяемость чувствительных элементов и их интегральное исполнение совместно с обрабатывающей схемой позволяют значительно повысить точность измерений. Кроме

того, повторяемость и точность исполнения механических компонентов улучшает их характеристики. Высокая надежность и стойкость к внешним воздействиям. Факторов, приводящих к повышению надежности и стойкости к внешним воздействиям изделий при применении МЭМС, достаточно много, и они зависят от конкретного типа изделия и его применения. Механические узлы МЭМС в условиях вибраций и ударов, как правило, работают лучше благодаря малым размерам и массе, а также тому факту, что механические узлы расположены в корпусе МЭМС, амортизированном выводами и конструкцией ПП. Низкая стоимость. Применение МЭМС уменьшает стоимость как механической, так и электронной частей устройства, поскольку обрабатывающая электроника интегрирована в МЭМС-компонент, что позволяет избежать дополнительных соединений и, в некоторых случаях, согласующих схем. Основные секторы применения акселерометров и гироскопов

– Игровые консоли. – Стабилизация изображения в фото- и видеокамерах. – Курсорные указатели для интеллектуальных интерфейсов пользователя. – Расширение GPS-решений (системы счисления пройденного пути). – Системы управления движением в робототехнике. – Стабилизация платформ промышленного оборудования. Технология и конструкция МЭМС-датчиков движения ST

Датчики, выполненные по технологии МЭМС, изготавливаются с помощью тех же технологических приемов, что

Таблица 1. Динамика доходов основных производителей МЭМС продукции для сектора бытовой электроники и мобильных устройств

STMicroelectronics Analog Devices Epson Toyocom Panasonic Avago Technologies

Доход с продаж в 2006 г., млн долл. 30,6 43,6 13,2 39,3 103,9

Доход с продаж в 2007 г., млн долл. 96,8 74,7 35,9 46,4 143,5

Доход с продаж в 2008 г., млн долл. 221,2 68,9 62,2 49,2 210,9

Прирост в 2007–2008 гг., % 128 –8 73 6 47

Texas Instruments

457,4

305,0

174,9

–43

Knoles

82,8

93,7

119,8

Производитель

Доминирующий тип МЭМС-продукции Акселерометры, гироскопы Акселерометры, гироскопы Гироскопы и МЭМС-генераторы МЭМС-гироскопы Пьезоакустические МЭМС-фильтры Микрозеркальные DLP-модуляторы для проекционных телевизоров задней проекции МЭМС-микрофоны

электронные компоненты №12 2009

и интегральные микросхемы. Акселерометр и гироскоп ST состоит из двух ключевых элементов: – МЭМС-кремниевого микромеханического емкостного сенсора, чувствительного к ускорению или повороту; – схемы обработки сигнала, преобразующей выходные сигналы этого сенсора в аналоговые или цифровые сигналы. Для снижения стоимости, повышения надежности, помехозащищенности и плотности монтажа компания ST совмещает оба этих устройства в едином корпусе (см. рис. 1). Принцип работы МЭМС-сенсора движения

Принцип работы сенсоров движения (акселерометров и гироскопов) основан на измерении смещения инерционной массы относительно корпуса и преобразовании его в пропорциональный электрический сигнал. Емкостной метод преобразования измеренного перемещения является наиболее точным и надежным, поэтому емкостные акселерометры получили широкое распространение. Структура емкостного акселерометра состоит из различных пластин, одни из которых являются стационарными, а другие свободно перемещаются внутри корпуса. Емкости включены в контур резонансного генератора. Под действием приложенных управляющих электрических сигналов подвешенная масса совершает колебания. Между пластинами образуется конденсатор, величина емкости которого зависит от расстояния между ними. Под влиянием силы ускорения емкость конденса-

Рис. 1. Использование вертикальной конструкции для стыковки двух кристаллов

Рис. 2. Топология МЭМС-сенсора ST

WWW.ELCP.RU

тора меняется. На рисунке 2 показана топология МЭМСсенсора ST. В конструкции МЭМС-сенсоров для акселерометров и гироскопов используется камертонная система электродов. Две подвешенные массы совершают колебания по противоположным осям. С появлением угловой скорости сила Кориолиса прикладывается в противоположных направлениях. Измеряемая дифференциальная емкостная составляющая пропорциональна углу перемещения. При линейном ускорении векторы приложения сил для обеих масс действуют в одном направлении. При этом дифференциальная разность равна нулю. В МЭМС-сенсорах физическое перемещение массы подвижных электродов преобразуется в электрический сигнал за счет емкостного преобразования. Семейство МЭМС-акселерометров ST

Акселерометры ST, в зависимости от модели, способны измерять ускорение или вибрацию в одном или одновременно двух и трех направлениях. Значение смещения измеряется и в зависимости от типа выходного интерфейса преобразуется в аналоговый или цифровой выходной сигнал. На рисунках 3 и 4 приведены функциональные схемы и ключевые характеристики двух групп датчиков с аналоговым и цифровым выходом. В сводной таблице 2 приведены основные характеристики датчиков акселерометров Первая цифра в наименовании указывает число осей датчика (2 или 3). Далее следуют две цифры номера разработки. Первая буква в суффиксе означает тип выходного интерфейса (D — digital или A — analog). STAIS226DS, AIS326DQ — двух- и трехосевые акселерометры, предназначенные для автомобильной промышленности и имеющие рабочий диапазон температур –40…105°C. Полоса пропускания: 640 Гц. Имеется функция самотестирования. LIS202DL — ультракомпактный двухосевой акселерометр с низким потреблением энергии. У него имеются встроенные интеллектуальные функции, в т.ч. распознавание одинарного и двойного щелчка. Акселерометр можно запрограммировать на обнаружение простых пользовательских действий, например, связать функцию двойного щелчка с аппаратным прерыванием, благодаря чему звонок мобильного телефона приглушается в кармане одним движением. Пользователь может выбрать один

Рис. 3. Функциональная схема аналогового акселерометра ST

Рис. 4. Функциональная схема цифрового акселерометра ST Таблица 2. Семейство МЭМС-акселерометров STMicroelectronics Тип AIS326DQ AIS226DS LIS202DL LIS244AL LIS302DL LIS331AL LIS3LV02DL LIS3LV02DQ LIS3L02AL LIS331DL

Число осей чувств. 3 2

UПИТ, В

Интерфейс

Чувствительность, В/g

Диапазон измерения, g

SPI

—

±2/±6

2,16...3,60 2,40...3,60 2,16...3,60 3,00...3,60

I C/SPI Аналоговый I2C/SPI Аналоговый

0,42 — 0,478

±2/±8 ±2 ±2/±8 ±2

2,16...3,60

I2C/SPI

—

±2/±6

2,40...3,60 2,16...3,60

Аналоговый I2C/SPI

0,66 —

±2 ±2/±8

3…3,6 2

из двух стандартных цифровых интерфейсов: SPI или I2C. Встроенные функции самотестирования позволяют проверять функционирование датчика после подачи напряжения на плату. LIS244AL, LIS344AL — очень компактные двух- и трехосевые акселерометры для измерения небольших величин ускорения. Они объединяют в одном корпусе двухосевой МЭМС-датчик и интерфейсную микросхему, которая вырабатывает в реальном времени два независимых выходных аналоговых напряжения: одно для поперечного, другое — для продольного направлений. Акселерометры обладают очень низким уровнем шумов при минимальном потреблении энергии, что особенно важно для систем с батарейным питанием. Встроенные элементы самотестирования позволяют контролировать механическую и электрическую части устройства. Сенсоры предназначены для широкого спектра аппаратуры, критичной к размерам корпуса и потреблению энергии: пользовательские интерфейсы; охранные системы; дистанционное управление объектами; управление потреблением энергии с учетом движения, спортивные и медицинские приборы. Акселерометры LIS244ALH,

Тип корпуса, его размеры, мм QFPN-28 7×7×1,9 мм SO-16L LGA 3,0×5,0×1,0 LLGA 4,0×4,0×1,5 LGA 3,0×5,0×1,0 LLGA 3,0×3,0×1,0 LGA 4,0×7,5×1,0 QFPN 7,0×7,0×1,9 LGA 5,0×5,0×1,6 LLGA 3,0×3,0×1,0

LIS344ALH аналогичны сериям LIS244AL и LIS344AL, но имеют два диапазона измерений: ±2 или ±6g. LIS302DL — многофункциональный датчик ускорения для систем защиты жестких дисков, создания бесконтактных интерфейсов в современных мобильных телефонах и ноутбуках. Акселерометры выпускаются в пластмассовом корпусе с габаритами 3×5×0,9 мм, что значительно экономит место и минимизирует вес мобильных аппаратов. Отличительные черты этих приборов — низкое потребление энергии (1 мВт) и высокая устойчивость к вибрации и ударам с ускорением до 10000g. Для считывания данных выбирается один из двух доступных стандартных интерфейсов — SPI или I2C. Кроме того, имеются два независимых порта для вывода программируемых сигналов прерывания. Два отдельных сигнала прерывания могут формироваться при превышении величины свободного падения или порога, устанавливаемого пользователем. Оба сигнала используются для контроля превышения установленных пользователем порогов для любых значений в диапазоне измеряемых ускорений. На сегодняшний день трехосный цифровой МЭМСакселерометр LIS302DLH, обеспечивающий высокую

электронные компоненты №12 2009

точность и стабильность с 16-разрядным преобразованием, является самым тонким в мире среди подобных устройств — толщина его корпуса составляет всего 0,75 мм, а площадь основания — 3×5 мм. Низкое напряжение питания и малое потребление делают его идеальным для использования в приборах с батарейным питанием. Микросхема в состоянии покоя и отсутствия изменений сигнала находится в режиме пониженного энергопотребления с автоматической активацией при обнаружении движения. Диапазон измерения входных сигналов: ±8 г. Измеряемый сигнал передается через последовательные интерфейсы I2C/SPI в формате, обеспечивающем непосредственное подключение к системному процессору без использования дополнительных компонентов. Датчик LIS302DLH полностью совместим c другими ранее разработанными трехосевыми акселераторами семейства Piccolo, включая LIS302DL и LIS35DE, обеспечивая тем самым высокий уровень масштабирования продукции (сохранение совместимости при расширении функциональных возможностей). Приложения на базе цифрового акселерометра LIS302DLH включают в себя функции обнаружения движения; тревожной сигнализации о смене ориентации в пространстве; обнаружения состояния свободного падения; мониторинга уровня вибрации. LIS3LV02DL — трехосевой цифровой линейный акселерометр c программируемым 12- или 16-разрядным представлением данных. Датчик поддерживает два цифровых интерфейса (SPI/I2C), имеет низкую мощность потребления и высокую разрешающую способность. При подаче напряжения питания сенсор производит процедуру самотестирования, что позволяет пользователю быть уверенным в исправности устройства. Датчик можно сконфигурировать на генерацию прерывания при обнаружении ускорения свободного падения. Имеется возможность программной установки порога значения ускорения, при превышении которого, по крайней мере в одной из трех осей, устройство выдаст сигнал прерывания. LIS3LV02DL доступен в пластмассовом корпусе LGA16. Рабочий диапазон температур составляет –40…85°C. LIS3LV02DQ — трехосевой акселерометр для измерения небольших значений ускорения со стандартными цифровыми интерфейсами SPI/I2C. В LIS3LV02DQ полосу пропускания можно гибко задать командой программного обеспечения, позволяя разработчикам эффективно менять условия измерения. Как и в предыдущем устройстве, в данном случае реализована возможность программной установки порога, при превышении которого устройство

формирует прерывание. Эта информация помогает быстро понять, в каком направлении перемещается датчик, прежде чем будут произведены какие-либо вычисления. LIS331AL, LIS331DL — трехосевые, линейные, универсальные, экономичные МЭМС- акселерометры класса «нано». Высокофункциональные датчики с низким потреблением энергии обеспечивают очень высокую устойчивость к вибрациям и ударам с ускорениями до 10000g. Нанодатчики движения компании ST предназначены для приложений с небольшими ускорениями для бытовых и промышленных устройств, включая интерфейсы движения пользователя в мобильных и игровых устройствах, обнаружения свободного падения для защиты данных на жестком диске, обнаружения и компенсации вибрации в бытовой технике. Конструкция датчика включает в себя два стандартных цифровых интерфейса SPI и I2C. Пользователь может выбрать любой из них. Кроме того, имеются встроенные интеллектуальные функции, включающие распознавание одинарного и двойного щелчка, обнаружение выхода из состояния покоя и движения, фильтры верхних частот и две выделенных гибко программируемых линии прерывания. Датчик обеспечивает полную шкалу выходного сигнала ±2,0g, высокую температурную стабильность и большую устойчивость к смещению. Встроенные функции самотестирования позволяют проверять датчик после установки на плату. LIS331DLF, LIS331DLM, LIS331DLH — 6-, 8- или 12-разрядные приборы с цифровым выходом, которые являются pin-to-pin- и программно-совместимыми. Основным назначением инерциальных датчиков является измерение ускорения, однако на их основе можно измерять наклон, движение объекта, определение положения в пространстве, силу ударов и вибрацию. Семейство МЭМС-гироскопов ST

Семейство гироскопов содержит трехосевые датчики (Yaw, Pitch и Roll). На рисунке 5 показаны направления и названия чувствительных осей датчика по отношению к плоскости корпуса. Базовым параметром гироскопов является чувствительность — отношение изменения выходного сигнала к изменению угла поворота. Параметр Zero-rate характеризует начальное смещение выходного сигнала при нулевом повороте датчика. Смещение связано с технологией изготовления и может измениться после монтажа микросхемы. Оно имеет слабую зависимость от температуры и должно учитываться при обработке и выделении полезного сигнала. Основные параметры гироскопа LYPR540AH

– Напряжение питания: 2,7…3,6 В. – Расширенный температурный диапазон (–40…85°C). – 3 независимых аналоговых канала. – Диапазон полной шкалы: опции ±400 и ±1600 dps. – Высокая ударопрочность. – Встроенное самотестирование. Объединение акселерометра и гироскопа позволяет создавать интегрированные инерционные системы (Inertial Movement Units, IMU).

Функционально законченные датчики

Рис. 5. Расположение базовых осей чувствительности МЭМС-гироскопа по отношению к корпусу

WWW.ELCP.RU

ST производит также функционально ориентированный датчик FC30, который представляет собой датчик 3D-ориентации прибора в пространстве и предназначен для мобильных и портативных устройств, в частности, для использования в электронных фоторамках. Встроенный в портативный прибор датчик обеспечивает слежение за ориентацией плоскости экрана дисплея прибора по отношению к пользователю. При обнаружении поворота плоскости экрана вокруг оси производится и поворот

изображения, для того чтобы обеспечить его нормальное положение по отношению к пользователю. Датчик также позволяет обнаруживать одиночные и двойные щелчки по экрану в процессе навигации в пользовательском графическом интерфейсе. Заключение

Активное развитие мобильных устройств возвело акселерометры (датчики ускорения, перемещения и ориентации) в разряд базовых массовых компонентов современной продукции. К 2010 г. рост рынка МЭМСакселерометров составит 14,1%, а с 2011 по 2012 гг. ожидается удвоение этого сегмента. Массовому использованию датчиков акселерометров способствовало их существенное удешевление — в 2008 г. цена МЭМС-чипа снизилась до 1 долл. и менее. В настоящее время 40% выпускаемых акселерометров находит свое применение в автомобильной промышленности, а в мобильных телефонах и другой потребительской электронике пока используется лишь 22% всего объема этих чипов. При этом доля такого применения будет увеличиваться. К 2013 г. рынок акселерометров вырастет до

1,7 млрд долл. Успех Apple iPhone способствовал росту продаж микроэлектромеханических систем. К концу текущего года 10% из всех поставленных мобильных устройств, а таких насчитывается 1,29 млрд, включали МЭМС-акселерометры. Выручка от продаж всех типов МЭМС для мобильных устройств к концу 2012 г. достигнет 1,3 млрд долл. Востребованы МЭМС-акселерометры и гироскопы у производителей игровых консолей. В ближайшие годы ожидается рост спроса на МЭМСустройства для ПК. Литература 1. Александр Райхман. STMicroelectronics — мировой лидер в производстве датчиков движения//Новости электроники № 2, 2009. 2. Андрей Еманов. Инерциальные датчики STMicroelectronics. 3. Веб-семинар “МEМS Gyroscopes: Their main applications, internal structure, working principles”. 4. Datasheet. LYPR540AH МЭМС motion sensor: 3 axis analog output gyroscope. 5. AN2041 Application note LIS3LV02DQ: 3-axis — ±2g/±6g Digital Output Low Voltage Linear Accelerometer.

События рынка

| Agilent Technologies объявила о завершении сделки по приобретению линейки РЧ-приборов Keithley Instruments | 30-го ноября компании Agilent Technologies и Keithley Instruments объявили о том, что сделка по приобретению компанией Agilent Technologies существенной части линейки радиочастотных приборов Keithley завершена. Как ранее объявила компания Keithley, стороны подписали окончательное соглашение о продаже 19-го ноября 2009 г. «Это приобретение — удачная сделка для Agilent, — заявил Рон Нерсесян, президент департамента электронных измерений компании Agilent. — Мы уверены, что талантливая команда разработчиков и линейка РЧ-приборов, выпускаемая ранее Keithley, станут хорошим дополнением для Agilent, что еще в большей степени укрепит позиции нашей компании в сфере РЧ-измерений. Мы будем рады предложить клиентам еще более широкий ассортимент РЧ-приборов». «Мы рады, что команда разработчиков продолжит работу в Agilent, — сказал Джозеф П. Кейтли, председатель совета директоров компании, президент и генеральный управляющий. — Мы уверены, что их опыт будет способствовать дальнейшему развитию РЧ-разработок в компании Agilent». www.agilent.ru

электронные компоненты №12 2009

PLC-технологии. Часть 3

Виктор Охрименко, нач. отд., Государственный НИЦ прикладной информатики

В заключительной части статьи (начало см. в ЭК10, 11) рассмотрены современные технологии высокоскоростной передачи данных по электросетям, продвигаемые международными и европейскими ассоциациями и альянсами (OPERA, UPA, HD-PLC), а также приведена информация о существующих стандартах (ITU, IEEE). И хотя до настоящего времени отсутствует единый стандарт, оборудование, созданное на базе этих передовых PLC-технологий, все шире используется во многих приложениях скоростного обмена информацией.

Введение

В третьей части статьи приведены основные характеристики современных технологий высокоскоростной передачи данных по электросети. Кроме того, рассмотрены некоторые из существующих стандартов. Сравнительные характеристики широкополосных технологий передачи данных и области их применения приведены на рисунке 1 [1]. Технологии и стандарты

HomePlug — далеко не единственный пакет существующих спецификаций. Помимо HomePlug имеются и другие — это широкополосная технология, поддерживаемая международной ассоциацией UPA (Universal Powerline Association), а также технология с одноименным названием, которая была предложена рядом влиятельных японских кампаний, объединившихся в альянс HD-PLC (High-Definition Powerline Communications). Большой вклад в разработку PLC-технологии внес европейский альянс OPERA (Open PLC European Research Alliance) [1-10].

Сети и интерфейсы

OPERA

Открытый европейский альянс OPERA был основан ведущими европейскими компаниями-производителями и университетами в 2004 г. Альянс насчитывает более 40 участников и частично финансируется Европейским Союзом. Цель альянса — исследования и разработки в области интегрированных PLC-сетей для организации широкополосного доступа. На этапе создания альянса предполагалось, что выработанные им рекомендации устранят проблемы технического характера и будут способствовать продвижению PLC-оборудования на европейский рынок. Первый проект альянса (OPERA Phase 1) с бюджетом 20 млн евро завер-

www.elcp.ru

шился в 2006 г. Уже после выхода первой версии стандарта им поспешили воспользоваться многие производители PLC-оборудования. Открытый стандарт дал мощный толчок развитию всей PLC-индустрии. С января 2007 г. стартовала вторая фаза проекта (OPERA Phase 2), которая завершилась в декабре 2008 г. Цель проекта — разработка спецификаций, обеспечивающих возможность работы широкополосных систем с использованием в качестве физической среды существующей электропроводки. Отсюда и другое название — BPL (Broadband over Power Line). BPL-технология обеспечивает высокоскоростную передачу данных (потоковое видео, IP-телефония и т.п.), а также организацию домашних локальных сетей. Вторая фаза проекта завершилась выработкой проекта спецификаций [2]. В число участников второй фазы проекта вошли ведущие европейские университеты Swiss Federal Institute of Technology (Швейцария), University of Dresden и University of Karlsruhe (Германия) и др., крупные технологические компании-разработчики DS2 (Испания) и CTI (Швейцария), а также европейские PLC-операторы EDEV-CPL (Франция), ONI (Португалия),

PPC (Германия), коммунальные предприятия и OEM-производители — всего 26 участников [3]. В основе предложенных альянсом спецификаций лежит технология, разработанная основанной в 1998 г. испанской компанией DS2, которая первой представила коммерческие микросхемы PLC-модемов, обеспечивающие пропускную способность канала связи на физическом уровне до 200 Мбит/с. В предложенных спецификациях предусматривается передача данных в полосе частот 10, 20 или 30 МГц. Способ модуляции — OFDM, число поднесущих — 1536. Для модуляции поднесущих используется модуляция типа ADPSK (Amplitude Differential Phase Shift Keying — амплитудно-дифференциальная фазовая манипуляция), что обеспечивает передачу до 10 бит на каждой поднесущей. Теоретически достижимая скорость передачи данных составляет 205 Мбит/с [2]. UPA

Большую роль в развитии технологии передачи данных по электрическим сетям играет основанная в мае 2004 г. некоммерческая ассоциация UPA. В ее состав входят ведущие производители

Рис. 1. Сравнительные характеристики высокоскоростных технологий передачи данных

электронного оборудования и исследовательские центры: Analog Devices, Ambient, Buffalo, Comtrend, Corinex, D-Link, NETGEAR, Korea Electrotechnology Research Institute, Toshiba и др. Цель ассоциация — разработка стандартов и нормативных документов, определяющих различные аспекты процесса передачи данных с целью ускорить развитие PLC-рынка и продвинуть системы передачи данных по электросетям на правительственном и корпоративном уровнях. UPA обеспечивает производителей сведениями об открытых стандартах. UPA инициировала диалог между другими альянсами и ассоциациями, поддерживающими разные стандарты, цель которого заключалась в продвижении идеи передачи данных по электросети. Как и в других альянсах, в ассоциации UPA установлено несколько уровней членства, отличающихся стоимостью годового участия и уровнем влияния на принятые спецификации. Один из аспектов выполняемой UPA сертификации — совместная работа оборудования разных стандартов при использовании одной и той же физической среды передачи данных, т.е., к примеру, одновременное использование одной электросети для передачи потоков данных в соответствии со стандартами HomePlug и OPERA. Ассоциация UPA поддерживает основные спецификации, предложенные альянсом OPERA. Кроме того, на веб-сайте ассоциации можно ознакомиться с полным списком выпущенных спецификаций, среди которых: Digital Home Specification «DHS» for High-Speed Powerline networking (2006 г.), Smart Grid Market Requirements (2008 г.), Command & Control Market Requirements (2008 г.) [4]. Лидером в производстве и разработке электронных компонентов для оборудования, поддерживающего спецификации UPA, является компания DS2. HD-PLC

следствие, улучшает параметры ортогональности как в частотной, так и во временной областях. По сравнению с методом FFT, OFDM-модуляция типа Wavelet OFDM отличается лучшими характеристиками фильтрации и обеспечивает более глубокую режекцию сигналов помех. А это, в свою очередь, позволяет легче приспосабливаться к изменяющимся условиям передачи и обеспечивает чрезвычайно высокую устойчивость к помехам и искажениям сигнала, вызванным многолучевой интерференцией, а также другими причинами. Возможность, по сути, программировать спектр генерируемого в линию сигнала позволяет не только избавиться от наводимых в линии помех, но и предотвращает нежелательные побочные электромагнитные излучения проводами линии, например в коротковолновом диапазоне радиолюбительского вещания. Предложенные алгоритмы адаптации к условиям распространения сигнала в электросети, а также к наличию помех, позволяют исходя из соотношения сигнал/помеха выбрать оптимальную скорость передачи, чтобы обеспечить наивысшую достоверность принятых данных. На рисунке 2 приведены спектры OFDM-сигналов, полученные в результате FFT- и Wavelet-

а)

б)

Рис. 2. Спектры OFDM-сигнала с использованием FFT-преобразования (а) и Wavelet-преобразования (б)

электронные компоненты №12 2009

59 Сети и интерфейсы

Основателем альянса HD-PLC является японская корпорация Panasonic Corporation, участниками — ведущие электронные компании: AOpen, Advanced Communications Networks, Icron Technologies Corporation, I-O DATA DEVICE. В число участников также входят Analog Devices, APTEL, Audiovox Accessories Corporation, Buffalo, OKI, Kawasaki Microelectronics, OMURON NOHGATA, Murata и др. [5]. Предложенная корпорацией Panasonic широкополосная технология HD-PLC предназначена для организации высокоскоростной передачи и приема данных по электросети и поддерживается альянсом CEPCA (Consumer Electronics Powerline Communication Alliance) [6]. Этот альянс был образован в 2005 г. влиятельными японскими корпорациями Panasonic, Sony, Toshiba, Mitsubishi, Sanyo и Yamaha. Одно из направлений деятельности CEPCA — объединение усилий по разработке технологии, совместимой с различными стандартами, что потенциально позволит объединить сети передачи мультимедийных данных в пределах квартиры или здания. Конкурентами технологии HD-PLC являются технологии, продвигаемые ассоциациями HomePlug и UPA. Отличительной особенностью технологии HD-PLC является предложенный способ синтеза OFDM-сигнала. В отличие от принятого, к примеру, в технологии HomePlug AV способа формирования OFDM-сигнала с помощью инверсного быстрого преобразования Фурье (FFT), в технологии HD-PLC авторы предложили использовать Wavelet-преобразования. Wavelet OFDM — широкополосная технология передачи данных с использованием электросети, отличающаяся высокой частотной избирательной способностью (другими словами, спектральной эффективност ью). В этой технологии для синтеза OFDM-сигнала используются Wavelet-преобразования. При этом теоретически достижимая скорость передачи данных составляет 210 Мбит/с [5]. Применение метода Wavelet OFDM позволяет минимизировать уровень боковых лепестков поднесущих и, как

Таблица. 1. Основные параметры микросхемы DSS9501 Скорость передачи данных, Мбит/с Вид модуляции

OFDM

Полоса частот, МГц

2…34

Динамический диапазон, дБ

Стандарт шифрования

AES (256 бит)

Интерфейс

Рис. 3. Структурная схема подключения к электросети микросхем DSS9501 и DSS7700

преобразований [5]. Как видно из приведенного рисунка, при модуляции типа Wavelet OFDM, по сравнению с FFT OFDM, обеспечивается более глубокая частотная режекция.

неров по электротехнике и электронике (IEEE) и международный союз электросвязи и стандартизации (ITU). В состав этих организаций входят представители ведущих компаний многих стран мира.

Альянсы и стандарты

Сети и интерфейсы

Спецификации, предлагаемые и продвигаемые различными альянсами и ассоциациями, нельзя считать полноценными стандартами в широком смысле. Разного рода альянсы — это всего лишь «клубы по интересам». При их создании, в конечном счете, преследуется коммерческая цель — захват рынка и продвижение оборудования, производимого на базе предлагаемых спецификаций. Как правило, основными участниками подобных союзов являются крупные производители интегральных микросхем, а в окружении находится свита, состоящая из производителей PLC-модемов и другого оборудования. Таким образом формируется «некоммерческая» организация, пропагандирующая и продвигающая «независимый от производителей» стандарт. Американская компания Intellon имеет несколько могущественных союзников: Cisco, Intel, LG, Motorola, Texas Instruments. Именно они формируют ядро альянса Homeplug Powerline Alliance. Компания DS2 отражает европейское направление в развитии PLC-технологии и поддерживается Европейским Союзом в рамках проекта OPERA. Более двух десятков компаний — партнеров DS2 — объединились в ассоциацию UPA, в состав которой входят Buffalo, Corinex, D-Link, Intersil, Netgear, Toshiba и другие компании. Корпорация Panasonic в своих разработках придерживается спецификаций промышленного альянса CEPCA. На этот же стандарт ориентируются такие компании как Hitachi, Mitsubishi, Philips, Pioneer, Sanyo, Sony и др. К числу влиятельных международных организаций по стандартизации, несомненно, относятся Институт инже-

www.elcp.ru

ITU

В декабре 2008 г. институтом стандартизации ITU-T (международный союз электросвязи, секция телекоммуникаций) был принят международный стандарт на высокоскоростную передачу данных по линиям электросетей, телефонным и коаксиальным кабелям. Новый стандарт ITU-T (G.9960), называемый также G.hn, — это пакет спецификаций канального и физического уровней, который унифицирует принцип построения проводных домашних сетей. В основе стандарта ITU-T (G.9960) лежит предложенная ассоциацией UPA широкополосная технология передачи данных по электросетям. В конце 2008 г. впервые появился международный стандарт, позволяющий в полной мере использовать потенциал проводных сетей. За обеспечением совместимости всех сетей, созданных на базе G.hn, будет наблюдать некоммерческая организация Home Grid Forum (w w w. h o m e g r i d f o r u m . o r g / h o m e), одним из основателей которой является компания DS2. Home Grid Forum создана для сертификации и продвижения стандарта G.9960 (G.hn), применение которого позволит объединять домашние сети, в которых в качестве физической среды передачи данных используются линии электросети, коаксиальный или телефонный кабели [7]. В конце 2008 г. компания DS2 объявила о намерении разработать микросхему PLC-модема, совместимую со спецификациями G.hn, UPA и OPERA. IEEE P1901

В июле 2005 г. институт IEEE объявил о создании рабочей группы, которая будет заниматься подготовкой стан-

200

Диапазон рабочих температур, °С

Ethernet (MII), UART, SPI –40…85

дарта Broadband PowerLine. Объектом изучения были приняты конкурирующие и несовместимые между собой спецификации использования электросетей для высокоскоростной передачи данных. Спецификации были представлены альянсом HomePlug Powerline Alliance, корпорацией Panasonic и компанией DS2. После изучения вопроса на заседании рабочей группы IEEE P1901, состоявшемся в июле текущего года, был одобрен первый проект стандарта: IEEE P1901 Draft Standard for Broadband over Power Line Networks: Medium Access Control and Physical Layer Specifications [8—10]. Этот стандарт под названием IEEE P1901 был одобрен на собрании рабочей группы, проходившем в Токио 21—24 июля 2009 г. За принятие проекта проголосовало 82% присутствовавших. В проекте стандарта предусматривается возможность использования на физическом уровне двух несовместимых между собой способов модуляции (FFT OFDM и Wavelet OFDM). Первый лежит в основе спецификаций, предложенных альянсом HomePlug (спецификации HomePlug AV), второй — HD-PLC. Более того, допускается возможность использования двух несовместимых между собой методов прямой коррекции ошибок (Forward Error Correction — FEC). Один из них базируется на сверточных турбокодах, во втором используются коды LDPC (LowDensity Parity-Check Codes — коды с малой плотностью проверок на четность) [8—10]. В настоящее время турбокоды применяются в системах спутниковой и мобильной связи, беспроводного широкополосного доступа и цифрового телевидения. Широкий класс турбокодов, запатентованных французской компанией France Telecom, в определенной мере ограничивает возможность их свободного распространения и, вместе с тем, стимулирует поиск и развитие новых методов помехоустойчивого кодирования, в т.ч. LDPC. В

Производители

Лидером в производстве и разработке электронных компонентов для PLC-оборудования в соответствии с продвигаемыми ассоциацией UPA спецификациями является испанская компания DS2 (www.ds2.es). Она производит функционально полный набор микросхем, позволяющих создавать оборудование для организации широкополосного доступа на базе PLCтехнологии. Компания DS2 предлагает микросхемы PLC-модемов и приемопередатчиков — DSS9001/2/3, DSS9010, DSS9101, DSS9501, DSS7700/800 и др. В таблице 1 даны основные параметры микросхемы DSS9501, на рисунке 3 приведена структурная схема ее подключения к электросети. Заключение

На протяжении ряда последних лет разработками в области PLC-техноло-

гии занимались различные компании. Пробиться на рынок удалось всего трем технологиям. В настоящее время наибольшее распространение получили три пакета спецификаций: HomePlug, UPA и HD-PLC. Однако до сих пор не существует единого поддерживаемого всеми производителями стандарта. По сути, созданные для продвижения PLC-технологии ассоциации, альянсы и промышленные группы по вполне понятным противоречиям являются основным камнем преткновения для повсеместного внедрения технологии передачи данных по электросети. Битва стандартов продолжается… В то же время, несмотря на отсутств ие единого стандарта, благодаря многим преимуществам PLC-технологии перед другими проводными и беспроводными технологиями, она получает все большее распространение в мире. Подтверждением этому является тот факт, что в настоящее время в мире существует более 100 компаний, выпускающих активные и пассивные компоненты для PLC-сетей. В их число входят Ambient Corporation, Cisco Systems, Cogency, Corinex, DS2, Echelon, Elcon, Enikia, Ericsson, Ilevo, Intellon, Mitsubishi, Netgear, Northern Telecom, Philips, PowerNet и др. Возможно, уже в недалеком

будущем воплотится в реальность девиз «Интернет в каждой розетке». В заключение обзора существующих PLC-технологий еще раз отметим основные преимущества их использования во многих приложениях: – высокая пропускная способность (до 200 Мбит/с); – простота использования; – доступность точек подключения; – надежность; – низкая стоимость. Более полную информацию о возможностях и преимуществах PLCтехнологии, а также о существующих стандартах можно найти в [1—10].

ЛИТЕРАТУРА 1. White Paper: Comparison of Access Tech nologies//OPERA Consortium, 2009, www.istopera.org. 2. First Draft of the OPERA Specification Ver sion 2//OPERA, June 2007//www.ist-opera.org. 3. www.ist-opera.org. 4. www.upaplc.org. 5. www.hd-plc.org. 6. www.cepca.org. 7. www.homegridforum.org/home. 8. http://grouper.ieee.org/groups/1901. 9. How to Save the Home Networking Industry//EDN, January 11, 2009. 10. How to Kill the Home Networking Industry//EDN, May 19, 2008.

61 Сети и интерфейсы

проекте стандарта отсутствуют ссылки на использование технологии, предложенной компанией DS2, а принятые за основу два варианта PHY существенно различаются между собой. В результате оборудование с разными видами модуляции не сможет взаимодействовать в одной сети, хотя оно и будет соответствовать требованиям стандарта IEEE P1901 [8—10].

электронные компоненты №12 2009

Драйверы для светодиодных источников света ON Semiconductor Ирина Ромадина, бренд-менеджер по продукции ON Semiconductor, ЗАО «Компэл» В статье сделан обзор драйверов светодиодов компании ON Semiconductror. В первую очередь рассматриваются новые типы продукции, которые появились в номенклатуре светодиодных драйверов ON Semi в этом году. По мере расширения сфер и объемов применения светодиодных источников света растет потребность и в драйверах светодиодов, которые выпускают десятки фирм, включая таких известных производителей как TI, National Semiconductor, Maxim, IR, STM, Linear Technologies, Analog Devices. Широкую номенклатуру светодиодных драйверов с использованием различных технологий преобразования энергии выпускает и компания ON Semiconductor. Основная линия стратегии фирмы — обеспечение высокой эффективности преобразования энергии при малых размерах изделий, их невысокой цене и высокой степени надежности. Номенклатура драйверов ON Semi постоянно обновляется и расширяется в соответствии с требованиями рынка. За последний год линейка светодиодных драйверов была расширена в основном за счет продукции фирмы Catalyst Semiconductor Inc., которая была приобретена ON Semi в октябре 2008 г. Микросхемы драйверов Catalyst Semiconductor Inc. сохранили в названии префикс CAT. В активе этой фирмы разработки линейных светодиодных драйверов, драйверов с емкостным преобразованием энергии, а также индуктивных Step Up/Step Downдрайверов для мощных светодиодов.

Рис. 1. Структура драйвера NUD4001

Одноканальный генератор тока NUD4001

Микросхема представляет собой управляемый генератор тока до 0,5 А. Драйвер может управлять цепочкой мощных светодиодов и использоваться в системах с различными напряжениями питания 5,0; 12 или 24 В. С помощью внешнего резистора, подключаемого к выводам R EXT и V IN, можно задать выходной ток NUD4001 в диапазоне 5…500 мA. При этом максимальное выходное напряжение может достигать 28 В при входном напряжении 30 В. Внутренние цепи микросхемы поддерживают постоянство выходного тока во всем диапазоне температур и входного напряжения. Таким образом удается добиться постоянства светового потока излучения светодиодов во время всего цикла разряда батареи питания. Особенностью драйвера NUD4001 (см. рис. 1) является наличие вывода Boost, который обеспечивает возможность подключения внешнего силового транзистора для дополнительного увеличения суммарного выходного тока нагрузки. Коммутируя подключение вывода GND драйвера к общей шине, можно осуществлять PWM-регулирование яркости излучения светодиодов. Драйвер производится в корпусе SOIC-8 (NUD4001DR2G) для температурного диапазона −40…125°C. Основное назначение драйвера — электронный балласт для автомобильных светодиодных ламп (габариты, поворотные фонари, стоп-сигналы, освещение салона). Входные цепи питания выдерживают броски напряжения до 60 В. Микросхема может также использоваться в качестве источника тока в недорогих зарядных устройствах для мобильной аппаратуры. На рисунке 2 показана схема применения драйвера для питания источника освещения салона в автомобиле. В качестве светодиодов использу-

Рис. 2. Схема применения драйвера NUD4001 для питания автомобильной светодиодной лампы освещения салона

WWW.ELCP.RU

ются 1-Вт светодиоды Cree CLN6A-MKW с теплым белым спектром. Прямое падение при номинальном токе (250 мА) составляет на нем около 3,6 В. Светодиодный линейный драйвер CAT4101

Микросхема драйвера обеспечивает больший рабочий ток (до 1 А), а также регулировку яркости за счет использования ШИМ-модуляции. При питании от 12-В аккумулятора драйвер может управлять параллельной цепочкой из 2—3 светодиодов мощностью 1…3 Вт. Драйвер преимущественно ориентирован на использование в конструкции светодиодных автомобильных ламп (габариты, фары стоп-сигнала, фонари поворота), а также в светодиодных модулях для освещения салона автомобиля. На рисунке 3 показаны светодиодные лампы стоп-сигнала и двунитевые лампы «стоп-сигнал — поворот» мощностью 21 Вт, в которых используются линейные драйверы. В данных вариантах конструкции применяются более мощные светодиоды 1…3 Вт и дополнительный радиатор для охлаждения. Схема включения драйвера CAT4101 показана на рисунке 4. Уровень тока задается внешним резистором Rset. Драйвер для приборных автомобильных индикаторов

Многоканальный драйвер CAT310 ориентирован в основном на использование в автомобильном секторе. Основное назначение — управление индикаторами, расположенными на приборной панели автомобиля (дискретные индикаторы состояния автомобильных систем, графические полоски расходомеров и т.д.), но может с успехом использоваться для управления кластерными светодиодными источниками света в других приложениях. Рабочие токи — до 50 мА. Основные достоинства — работа в широком диапазоне напряжений до 40 В, что обеспечивает защиту от бросков тока в автомобильной сети, и широкий температурный диапазон: –40…125°С. Допускается последовательное каскадирование микросхем для загрузки данных. Основная схема использования драйвера CAT310 показана на рисунке 5.

Рис. 3. Лампы стоп-сигнала и двунитевые лампы «стоп-сигнал – поворот»

Рис. 4. Схема включения драйвера CAT4101

Рис. 5. Основная схема использования драйвера CAT310

Серия драйверов CAT 40xx для светодиодных экранов

Эта серия состоит из трех микросхем CAT4004, CAT4008, CAT4016, различающихся числом управляющих выходов (от 4 до 16). Загрузка данных от источника осуществляется по последовательному синхронному каналу. Диапазон регулирования: 2…100 мА. В выходных цепях драйвера не требуется установки дополнительных токозадающих резисторов. Выходные каскады выполнены по схеме LDO, прямое падение напряжения в них не более 400 мВ. Диапазон питающих напряжений 3…5,5 В. Скорость загрузки по последовательному каналу до 25 МГц. Допускается каскадирование микросхем для расширения числа управляемых каналов. Типовая схема включения драйверов CAT4016 показана на рисунке 6. Уровень тока, протекающего через светодиоды, задается одним внешним резистором Rset. Микросхема доступна в корпусах SOIC, TSSOP, QSOP и TQFN. Драйверы с емкостным преобразованием (CHARGE PUMP)

Драйверы с емкостным умножением напряжения предназначены для использования в аппаратуре с батарейным питанием. Диапазон входных напряжений 2,5…5,5 В. Эффективность преобразования до 93%. Частота преобразования — 1 МГц. Основные достоинства драйверов — простота и дешевизна. Малые размеры корпуса QFPN-16 (размер 3×3×0,8мм) позволяют занимать малую площадь на печатной плате. Структура драйверов предполагает

Рис. 6. Типовая схема включения драйверов CAT4016

защиту от коротких замыканий и обнаружение обрыва в выходных цепях. Линейка драйверов CAT 36xx с емкостным преобразованием для мобильной аппаратуры представлена в таблице 1. Регулировка выходного тока реализована в микросхемах CAT3612…CAT3648. Ток регулируется с 16-ю градациями с шагом 2 мА через число-импульсный однопроводной интерфейс EZDim. Диаграмма управления яркостью с использованием число-импульсного кода EZDim представлена на рисунке 7. На рисунке 8 показана схема применения четырехканального драйвера CAT3604 без интерфейса регулировки яркости. Величина максимального тока устанавливается внешним резистором Rset. Работа на высокой частоте позволяет использовать керамические конденсаторы малого номинала и размера. Размеры корпуса драйвера TQFN-16 составляют 4×4 мм.

электронные компоненты №12 2009

Рис. 7. Диаграмма управления яркостью с использованием число-импульсного кода EZDim

или от литиевой батареи с номинальным напряжением 14,4 В. Основное назначение этой серии драйверов — управление источниками подсветки в портативной аппаратуре (камеры, GPS-навигаторы, электронные игры, ноутбуки, медиаплееры). Основные параметры индуктивных драйверов повышающего типа приведены в таблице 2. Температурный диапазон микросхем: –40...85°С. Имеются встроенные функции автоматического выключения при падении напряжения и защита от короткого замыкания на выходе. Частота преобразования около 1 МГц. Низкое собственное потребление логики управления драйвером — около 0,6 мА. На рисунках 9 и 10 показаны схемы включения драйверов с интерфейсом управления яркостью (CAT4106) и без управления (CAT4240).

Рис. 8. Четырехканальный Charge Pump-драйвер CAT3604

Индуктивные драйверы повышающего типа (STEP Up, Boost)

Драйверы данного типа обеспечивают повышение напряжения батарейного питания, используемого в мобильных и портативных устройствах, до уровня напряжения, достаточного для питания цепочки светодиодов. В большинстве случаев питание мобильных устройств производится от 2—3 батарей типа АА/ААА, «пальчиковых» аккумуляторов или же литиевых батарей с номинальным напряжением 3,6...4,2 В. Портативная аппаратура может также питаться от 6—8 шт. «пальчиковых» аккумуляторов

Драйверы мощных светодиодов понижающего типа (Buck, Step Down)

Драйверы понижающего типа применяются для тех вариантов питания, когда входное напряжение больше напряжения на линейке светодиодов, подключенных к выходу. Число возможных светодиодов в последовательной цепочке определяется диапазоном изменения входного напряжения. Драйверы могут использоваться в системах с аккумуляторным питанием (9…36 В), в том числе в транспортных средствах. Основные параметры

Таблица 1. Линейка драйверов CAT 36xx с емкостным преобразованием для мобильной аппаратуры

Драйвер CAT3604

Число каналов 4

Суммарный ток 20

CAT3606

180

CAT3612 CAT3614 CAT3616 CAT3626 CAT3637 CAT3636 CAT3644 CAT3647 CAT3648

2 4

300 124 186 192

Назначение Подсветка ЖК-дисплеев, полей клавиатуры Подсветка основного и дополнительного ЖК-дисплеев в мобильных устройствах Проблесковые маячки, фонари

Нет Есть, по интерфейсу 1-wire EZDim™ Есть, по интерфейсу I2С

180 4 3 4

Наличие регулировки тока Нет

Подсветка ЖК-дисплеев, полей клавиатуры Есть, по интерфейсу 1-wire EZDim™

100

Таблица 2. Основные параметры индуктивных драйверов повышающего типа Тип

Uin, В

Макс. Uвых., В

Корпус

Выходной ток, мА

CAT4106 CAT4134 CAT4139 CAT4237 CAT4238 CAT4240 NCP5050

3...24 2,8...5,5 2,2...5,5 2,8...5,5 2...5,5 8...16 2,7...5,5

36 16 22 30

TQFN-16 TDFN-12 TSOT-23 SOT-23 TSOT-23 SOT-23 WDFN-10

4×175 2×250 350

WWW.ELCP.RU

38 20

100 750 1200

Число светодиодов в цепочке 10 3 5 8 10 5

Число каналов 4 2

65 Рис. 9. Типовая схема применения драйвера CAT4106

Рис. 10. Схема применения драйвера CAT4240

Рис. 11. Схема включения NCP3066

электронные компоненты №12 2009

Таблица 3. Основные параметры индуктивных драйверов понижающего типа Тип

Основное назначение

Uin, В

Макс. Uвых., В

Корпус

Выходной ток, мА

CAT4201

Источники света в транспортных средствах

12...24 (40)

TSOT-23

350

Число светодиодов Число каналов в цепочке 7

Таблица 4. Основные параметры драйверов StepUp\StepDown Тип

Функция

Частота, кГц

NCP3063

Импульсный регулятор

150

NCP3065 NCV3065

Источник тока для сверхъярких светодиодов

Uin, В

Ток, А

3…40

1,5

250 NCP3066 NCV3066

Источник тока для сверхъярких светодиодов со входом ENABLE

NCP5030

Драйвер для светодиодной фотовспышки, фонаря

700

индуктивных драйверов понижающего типа приведены в таблице 3. Драйверы мощных светодиодов StepUp/StepDown

В зависимости от соотношения входного напряжения и числа подключенных светодиодов в цепочке, схема драйвера может работать как в режиме повышения напряжения (StepUp), так и в режиме понижения напряжения (StepDown). Основные параметры драйверов StepUp/StepDown приведены в таблице 4. Драйверы имеют встроенный силовой транзистор и характеризуются возможностью регулировки тока через светодиоды (димминг). Высокая рабочая частота (до 250 кГц) позволяет использовать катушки индуктивности малого номина-

Корпуса DFN-8 PDIP-8 SOIC-8 DFN-8 PDIP-8 DFN-8 PDIP-8

2,7...5,5

0,9

WDFN-12 (3×3мм)

ла и размера. Схема включения NCP3066 изображена на рисунке 11. Драйверы с префиксом NCV предназначены для применения в автомобильном секторе (индустриальный температурный диапазон –40…125°С). NCP3063 был разработан как импульсный регулятор для применения в DC/DC-преобразователях, но на его основе можно создать генератор тока для питания цепей мощных светодиодов. Литература 1. Лев Чемакин. Компоненты ON Semiconductor для устройств питания сверхъярких светодиодов и светодиодных матриц//Новости электроники, №10, 2008. 2. Техническое описание продукции On Semiconductor.

События рынка

| Компания Simcom удостоена награды за лучший встраиваемый модуль для сетей мобильной связи третьего поколения | Ассоциация GSM, некоммерческое объединение по стандартизации, развертыванию и распространению сетей GSM, куда входят более 800 операторов мобильной связи и 200 компаний отрасли, 18-го ноября 2009 г. объявила победителей первого этапа Конкурса встраиваемых приложений (Embedded Mobile Competition). Первый этап конкурса был направлен на выявление лучших в своем классе встраиваемых модулей для применения в 2G- и 3G-сетях, которые уже представлены или в ближайшее время будут представлены на коммерческом рынке. Победители были объявлены Робом Конвеем (Rob Conway), генеральным директором и членом Ассоциации GSM, во время его выступления на конгрессе Mobile Asia Congress, проходившем в Гонконге в ноябре. «Мы организовали этот конкурс с целью увеличения числа подключенных мобильных устройств путем поощрения инновационного развития в сфере встраиваемых мобильных модулей и с целью увеличения количества таких модулей, что поможет сделать их более экономически эффективными», — сказал Майкл О'Хара (Michael O'Hara), директор по маркетингу Ассоциации GSM. «Интерес к встраиваемым мобильным устройствам и сервисам продолжает расти, что приведет к преодолению барьеров на пути развития данного сегмента рынка и унификации в сфере применения встраиваемых мобильных решений, что, в конечном итоге, выгодно как производителям, так и операторам мобильной связи». Авторитетная комиссия из девяти судей — представителей мобильных операторов AT&T, KT, Orange, SMART, Softbank, Telecom Italia, Telefónica O2, Telstra and Vodafone — оценила представленные модули по 17-ти критериям, таким как: время выхода на рынок, простота использования, краткосрочная и долгосрочная перспективы, ценовая конкурентоспособность, стратегические обязательства каждой компании в партнерстве с операторами мобильной связи. В номинации «Лучший узкополосный модуль для сетей мобильной связи третьего поколения (3G)» победителем стала компания Simcom с модулем SIM5215. Напомним, что модуль SIM5215 разрабатывался в течение 2009 г. на базе уже существующих модулей SIM5210 и SIM5218. Модуль поддерживает скорость загрузки и скачивания данных до 384 Кбит/с и способен работать в стандартах WCDMA 900/2100 МГц и GSM 850/900/1800/1900 МГц. Модуль обладает всеми преимуществами стандарта WCDMA, такими как надежность и высокое качество передачи данных, сохраняя при этом невысокую цену. Образцы модуля станут доступными в России уже в начале 2010 г. Компания «Макро Групп» — официальный дистрибьютор Simcom на территории России. За дополнительной информацией о продукции Simcom и образцами обращайтесь в офисы компании. www.macrogroup.ru www.gsmworld.com

WWW.ELCP.RU

Тяговый электропривод в гибридных транспортных средствах

Часть 2. Идеология проектирования КТЭО 1 Станислав Флоренцев, ген. директор «Русэлпром-электропривод», Дмитрий Изосимов, зам. ген. директора по науке, «Русэлпром-электропривод»

Для функционирования системы привода необходима качественная система управления, частотная или векторная [9]. Такая система должна обеспечивать оптимальный по потерям режим работы двигателей во всех диапазонах частот вращения, электромагнитных моментов, скольжений, индукций и т.д. Однако для тяговых приводов необходимо также учитывать критерий максимального использования имеющихся ресурсов, прежде всего максимальных напряжения питания и тока, которые ограничиваются установленной мощностью силового преобразователя. Требуется, чтобы асинхронный тяговый двигатель мог бы реализовать максимально возможные значения момента, пусть даже и не в режиме максимального КПД, если при данном моменте оптимальный по КПД режим невозможно реализовать при определенных ограничениях напряжения и тока. К точности регулирования момента или частоты вращения и к динамике протекания процессов в транспортном приводе жестких требований обычно не предъявляется. Общепринятым описанием, адекватно отражающим статические и динамические процессы, является модель асинхронного двигателя (АД) на базе обобщенной электрической машины, разработанная Парком. Для учета наиболее существенных явлений в реальной машине принимается ряд упрощающих предположений, в рамках которых сохраняются основные физические особенности процессов: симметричность, равномерность зазора и распределения обмоток, распределения магнитного поля при пренебрежении краевыми эффектами, ненасыщенность магнитного материала и др. Уравнения Парка широко

известны [10], и мы не будем приводить их в статье. Заметим, что общепринятой модели электромагнитных процессов в АД, в которой учитывалось бы насыщение, гистерезис, вихревые потери и т.д., в настоящее время не существует. Насыщенный магнитный материал анизотропен, его поведение при вариациях внешнего поля по направлениям, изменяющим уровень насыщения (вдоль поля) и при повороте вектора поля (т.е. без изменения его величины, ортогонально полю) имеет качественные различия. Следовательно, строго говоря, заведомо несправедлив принцип суперпозиции, на использовании которого основан переход к эквивалентной обобщенной электрической машине и вывод уравнений Парка. В уравнениях Парка присутствуют значения сопротивлений статора и ротора, индуктивностей статора и ротора и взаимоиндуктивности. Значения этих параметров (параметров схемы замещения) считаются постоянными. Параметры схемы замещения могут определяться разработчиками и изготовителями двигателей по геометрии активной части, характеристикам материалов и обмоточным данным по расчетной модели двигателя. Однако изготовители двигателей не предоставляют таких сведений. Разработчикам регулируемых приводов, которым необходима информация о параметрах АД как объекта управления, ничего не остается, как создавать методы экспериментальной идентификации параметров АД по измерениям напряжения, тока, электромагнитного момента и частоты вращения ротора. Задача идентификации традиционно понималась как задача определения по результатам измерений параметров схемы замещения. Однако показано [11], что такая постанов-

ка несостоятельна: одним и тем же измеряемым значениям напряжений, токов, моментов и частот вращения соответствует не один АД (в смысле конкретных значений параметров схемы замещения), а множество АД с отличающимися значениями индуктивностей рассеяния и взаимоиндукции (при сохранении значения обобщенного рассеяния) и значениями сопротивления ротора (при сохранении значения постоянной времени ротора). Видимо, именно этим обстоятельством объясняется отсутствие общепринятой методики экспериментальной идентификации параметров АД. Уравнения Парка будут иметь более простой вид, если их записывать относительно формально введенных переменных фиктивных фаз, направляющие орты которых для статора и ротора совпадают (при этом отпадает необходимость учитывать взаимное положение обмоток неподвижного статора и вращающегося ротора). Выбор фиктивных фаз для АД с короткозамкнутым ротором чаще всего ограничивается двумя вариантами: а) Система координат, связанная с фиктивными фазами, неподвижна (система (α,β)). Приведенные переменные статора в этом случае совпадают с переменными обобщенной машины, а фазные переменные ротора преобразуются к неподвижным осям координат. Неподвижная система координат удобна при синтезе частотного управления приводом, т.е. при управлении амплитудой и частотой питающего напряжения. б) Система фиктивных фаз ориентирована по вектору потокосцепления (чаще по направлению потокосцепления ротора, система (d,q)). Использование вращающейся системы координат позволяет в статике оперировать постоянными значениями всех

Продолжение, начало см. в ЭК 11.

электронные компоненты №12 2009

69 Элек тропривод

Методы синтеза управления асинхронным электроприводом

Элек тропривод

переменных, что в некоторых случаях помогает указать рациональную процедуру синтеза регулятора. Система (d,q) используется при синтезе систем векторного управления приводом, при независимом управлении величиной магнитного поля и электромагнитным моментом. Длительность переходных электромагнитных процессов в АД, как правило, намного меньше, чем длительность переходных процессов режима движения транспортного средства, и даже меньше, чем типовое время изменения тягового момента. Это дает основание для того, чтобы рассматривать АД как статический объект (с соответствующими требованиями к системе управления, устанавливающей оптимальный статический режим его работы). Характеристики статического режима АД при его питании фиксированной амплитудой и частотой хорошо изучены: это т.н. нагрузочная характеристика асинхронного двигателя — зависимость момента от частоты вращения ротора. При частотном управлении АД связи между амплитудой и частотой, с одной стороны, и электромагнитным моментом, с другой, существенно нелинейны, что приводит к сложности в обеспечении устойчивости замкнутого контура, особенно в динамических процессах. «Правильно» организованный привод с частотным управлением позволяет регулировать тяговый и тормозной момент на валу привода во всем диапазоне скоростей, реализуя режим, близкий к минимальному по потерям. При векторном управлении раздельно управляют двумя компонентами вектора тока: током намагничивания и активным током; управление АД при этом в известном смысле аналогично управлению двигателем постоянного тока: возбуждением по току намагничивания и току якоря по активной составляющей тока. Векторное управление характеризуется более сложным алгоритмом регулирования из-за необходимости векторных преобразований переменных (впрочем, для современных процессорных контроллеров сложность вычислений не представляет затруднения). Поскольку каналы регулирования момента и поля при векторном управлении разделены, можно организовывать любую желаемую связь между этими регулируемыми величинами. Быстродействие приводов с векторным управлением можно реализовать предельным (в отличие от частотного управления) или искусственно уменьшить в регуляторе, например, с целью повышения помехозащищенности привода. Векторное

www.elcp.ru

управление, несомненно, более перспективно для любых применений, в т.ч. в тяговом приводе. Принципы синтеза цифрового (процессорного) управления тяговым приводом [9]: a) использование разностной модели процессов; б) оценка неизмеряемых непосредственно переменных с соответствующей фильтрацией; в) асимптотическое регулирование для снижения влияния шумов в измерениях; г) использование прогнозаторов переменных для компенсации запаздывания, возникающего из-за конечной скорости вычислений в микропроцессорном контроллере; д) идентификация параметров двигателя. Получение информации о значениях параметров АД, как уже отмечалось, представляет собой определенную трудность. Чувствительность систем привода к вариациям параметров, определение необходимой точности не исследованы в полной мере. В этих условиях разработка методов экспериментальной, а в последующем — автоматической идентификации параметров АД представляется абсолютно необходимой. К настоящему времени практически закончены экспериментальные (стендовые) исследования настройки приводов по параметрам АД как с частотной, так и с векторной системами управления. По результатам экспериментов можно сделать некоторые выводы. Выявлено, что параметры АД значительно изменяются — влияет насыщение стали (изменение параметров до 50% в функции величины поля); потери в стали, особенно частотные (изменение параметров до 20% в функции скорости (частоты напряжения питания) и величины тока, в т.ч. активного); температура (рабочий диапазон температур электрических машин –40…150° соответствует примерно 50% изменению параметров). В совокупности диапазон изменения параметров составляет более 1:2,5.

Данные экспериментов и полученные зависимости изменения параметров АД от режима работы двигателя (от величины поля, от частоты питания, от температуры и т.д.) использованы в практических системах приводов. Ниже (см. рис. 3) приведены данные стендовых испытаний комплекта тягово-энергетического оборудования (КТЭО) трактора ЭТ-300 ЦП-5 на предельных режимах (максимальный момент АЭП 1200 Нм, максимальная мощность АЭП 183 кВт, максимальная мощность МГ 220 кВт при моменте 1200 Нм и скорости 1700 об/мин). Приведен совокупный КПД системы МГ-СП-СП-АД с векторной системой управления после экспериментальной идентификации параметров и оптимизации режима работы двигателей. КПД системы определялся от вала ДВС до вала АД. Максимальный КПД сохраняется в широком диапазоне частот вращения, что свидетельствует об оптимальной настройке приводов. Синтез управления комплектным тяговоэнергетическим оборудованием (КТЭО)

Комплект электроприводов, ДВС, буферный накопитель, трансмиссия как объект управления представляет сложную взаимосвязанную нелинейную динамическую систему [12]. В такой системе должен выполняться ряд ограничений на управления и переменные состояния: ограничение напряжений питания двигателей, токов, моментов, частот вращения, диапазонов изменения напряжения звена постоянного тока. Для управления КТЭО, очевидно, необходима разработка специальных алгоритмов, обеспечивающих автономную работу отдельных устройств и устойчивое согласованное управление всеми устройствами КТЭО, включая ДВС. Существенным фактором является неопределенность исходных параметров движения: требуемая тяговая мощность заранее не известна, она определяется текущими условиями движения и выбором водителя;

Рис. 3. КПД тягового двигателя в функции частоты вращения на предельной характеристике

малых частот вращения ДВС вблизи оборотов холостого хода). Ограничение момента АЭП и МГ осуществляется по следующим аргументам: – величина напряжения звена постоянного тока (ЗПТ); – скорость вращения NАЭП; – скорость вращения NМГ; – отклонение частоты вращения ДВС от заданной (при непосредственном соединении валов ДВС и МГ равной NМГ). Цель ограничения по величине напряжения ЗПТ — не допустить «выхода» напряжения ЗПТ за определенные границы рабочего диапазона. Средство — при повышении напряжения ЗПТ выше допустимого ограничиваются генераторные моменты МГ и АЭП, т.е. снижается мощность, «закачиваемая» этими двигателями в ЗПТ; при снижении ограничиваются двигательные моменты МГ и АЭП, т.е. снижается мощность, потребляемая двигателями из ЗПТ. Цель ограничения активного тока АЭП по скорости вращения N ТАД — не допустить «выхода» частоты вращения АЭП за определенные границы рабочего диапазона. Средство — при выходе частоты вращения за границы диапазона ограничивается двигательный момент АЭП. Цель ограничения активного тока

МГ по скорости вращения N МГ — не допустить «выхода» частоты вращения ДВС-МГ за границы рабочего диапазона. Средство — при превышении частоты вращения за границу диапазона ограничивается двигательный момент МГ, при снижении — генераторный. Цель ограничения момента МГ по отклонению скорости вращения N МГ от заданной — обеспечить «выход» ДВС на заданную частоту вращения. Средство — при превышении отклонения ошибки регулирования скорости ДВС ограничивается генераторный (или, соответственно, двигательный) момент МГ. Ограничение моментов осуществляется с помощью формирования множительных коэффициентов, значения которых выбираются в диапазоне [0, 1] пропорционально расположению ограничивающего параметра (напряжения ЗПТ и скорости двигателей в зоне ограничений: 1 соответствует началу действия ограничения, 0 — полному ограничению момента). Такая система реализует «мягкое» ограничение момента при приближении к границам рабочего диапазона напряжений и частот вращения. «Мягкое» в том смысле, что вследствие инерционности ЗПТ, тока и частоты вращения значения электромагнитного момента АЭП и

электронные компоненты №12 2009

71 Элек тропривод

имеющийся резерв мощности также заранее не известен или известен недостаточно точно (максимальная мощность ДВС зависит от многих факторов, таких как качество топлива, атмосферное давление и влажность воздуха, температура, наконец, состояние (износ) ДВС и т.д.). Изменяется также уровень потерь и КПД тяговоэнергетического оборудования, изменяется мощность вспомогательных бортовых устройств. В этих условиях следует обеспечить баланс мощностей автоматически, не требуя точных данных о состоянии и режиме работы устройств. Заметим, что необходимо одновременно управлять АЭП (выполнять команды водителя с учетом текущих условий движения), МГ (стабилизировать напряжение ЗПТ в системе без буферного накопителя или управлять мощностью заряда буферного накопителя при его наличии) и ДВС (обеспечивать режим максимальной топливной эффективности за счет выбора соответствующего значения скорости вращения ДВС). При этом следует соблюсти условие баланса мощностей, различные ограничения, в т.ч. исключить перегрузку ДВС по моменту (отметим, что максимальный момент ДВС неопределен, что наиболее существенно сказывается в зоне

Элек тропривод

МГ «плавно» устанавливаются такими, при которых ограничиваемые переменные остаются в рабочем диапазоне. Отметим, что при этом АЭП либо выполняет команду водителя, либо потребляет ровно столько мощности, сколько может обеспечить ДВС-МГ на тягу (за вычетом мощности других потребителей). Управление потоками мощности в системе без буферного накопителя (точнее, без явно выраженного буферного накопителя: в ЗПТ всегда присутствует фильтрующая емкость, которой, возможно, недостаточно для обеспечения существенного передвижения транспортного средства) обеспечивается только лишь за счет ограничения двигательного и генераторного моментов в МГ и АЭП в функции напряжения звена постоянного тока; информации о текущем значении этого напряжения оказывается вполне достаточно для автоматического выполнения условия баланса мощностей. Отметим, что в системе без буферного накопителя любые изменения мощности АЭП требуют немедленной компенсации генерируемой мощностью МГ. Для этого быстродействие привода МГ (вернее, системы МГ-ДВС) должно, очевидно, превышать быстродействие тягового привода. Достичь этого можно при использовании в приводе МГ векторного управления. В АЭП можно использовать привод с ограниченной динамикой или при соответствующей фильтрации сигнала задания момента (последнее, впрочем, вследствие достаточно большой полосы пропускания АЭП практически не сказывается на приемистости тягового привода). Привод МГ при этом работает в режиме регулятора напряжения ЗПТ, ДВС (с контроллером ДВС) — в режиме регулирования частоты вращения по сигналу задания, формируемому в соответствии с оптимальной зависимостью частот от мощности, потребляемой МГ (с учетом мощности вспомогательных бортовых систем). В системе с буферным накопителем динамика систем ДВС-МГ и системы АЭП становится независимой, поскольку буферный накопитель разделяет эти системы: напряжение буферного накопителя не может существенно измениться на малом временном интервале. Разумеется, это упрощает синтез управления МГ и АЭП, однако возникает вопрос об организации управления системой ДВС-МГ. Принципы организации управления потоками мощности в системе с буферным накопителем следующие. 1. ДВС должен работать в области рабочих режимов, для которой частота и момент ДВС жестко связаны. Это

www.elcp.ru

позволяет снизить потребление топлива и выбросы. Обеспечение требуемой зависимости момента от частоты вращения обеспечивается за счет задания момента МГ в функции частоты вращения. 2. Изменение режима работы ДВС должно происходить квазистатически (достаточно медленно), что дополнительно позволит экономить топливо и снизит выбросы. Для обеспечения квазистатического изменения режимов темп изменения задания частоты вращения на контроллер ДВС должен ограничиваться. При этом момент ДВС примерно равен моменту МГ (формируемому по рабочей области ДВС). Регулирование потоков мощности осуществляется контроллером верхнего уровня (КВУ). Одновременно КВУ должен обеспечивать связь с органами управления, индикацию основных параметров движения. Вспомогательные системы

Вспомогательные системы непосредственно не выполняют основных функций обеспечения движения гибридного транспортного средства, однако без выполняемых ими обеспечивающих функций работа основного оборудования невозможна. Кроме того, необходимо обеспечить контроль, диагностику и поиск неисправностей, по возможности сократив требуемое для восстановления системы время. К вспомогательным системам КТЭО относятся: – источники питания электронного оборудования; – устройства систем охлаждения; – коммутирующие устройства; – информационное табло в кабине водителя; – сервисная вычислительная система. Несмотря на вспомогательные функции, к источникам питания компонентов КТЭО предъявляются очень жесткие требования по надежности, эффективности, массо-габаритным показателям, стоимости. Не менее сложной является задача создания эффективных, компактных и надежных систем охлаждения компонентов КТЭО — электрических машин, силовой электроники. Источникам питания собственных нужд и системам охлаждения элементов КТЭО будет посвящена отдельная статья. Основная функция информационного табло — снабжать водителя необходимой информацией о режимах управления, режимах движения и состоянии отдельных устройств. Такая информация должна быть хорошо организована и строго дозирована: нельзя перегружать водителя «лишней» информацией.

В то же время табло должно являться «советчиком» водителя: индицируются рекомендации по состоянию органов управления и рекомендации о необходимых последующих действиях (при автоматическом игнорировании ошибочных команд). КТЭО гибридного транспортного средства является сложной системой. При всей сложности КТЭО алгоритмы управления оборудованием КТЭО, управления движением должны быть направлены на упрощение управления. Для сопровождения, наладки и диагностики ошибок в сложной системе оборудования КТЭО необходима специальная сервисная вычислительная система, предназначенная для визуализации параметров рабочих характеристик КТЭО; предоставления и обработки графической информации; загрузки, сохранения и отображения в графической и табличной форме переменных всех компонентов КТЭО: КВУ, МГ, накопителя, ДВС и АЭП; записи, сохранения и последующего отображения аварийных логов («черный ящик»). Сервисная вычислительная система должна в значительной мере упростить процесс наладки и контроля КТЭО, а также ускорить поиск и устранение неисправностей. Выводы

Тяговый электропривод является одним из основных узлов электротранспортных средств. Его характеристики во многом определяют характеристики транспортного средства в целом. Развитие тягового электропривода проходит на основе предельно высоких технико-экономических требований. Можно с полным основанием утверждать, что в тяговом электроприводе в настоящее время реализуется комплекс самых последних достижений в области электромеханики, силовой и управляющей электроники, управления. Обращают на себя внимание следующие факты. 1. Западные фирмы, обладая высоким уровнем технологии производства в электротехнической и машиностроительной отраслях, часто используют высокоскоростные двигатели, снабженные точными подшипниковыми узлами, сложными многоступенчатыми редукторами и механическими передачами. 2. Довольно большое число приводов для малых и средних транспортных средств выполнено на основе синхронного привода с возбуждением от высокоэффективных редкоземельных постоянных магнитов (на базе сплава ниодим-железо-бор). 3. Многие фирмы применяют интегрированные узлы, объединяющие

уже ничего не требуется: в мире уже созданы и находятся не только в опытной, но и в коммерческой эксплуатации многие сотни тысяч гибридных транспортных средств различного назначения. Вопрос на сегодняшний день заключается в создании промышленных прототипов и организации промышленного производства таких средств. Об опыте создания гибридных транспортных средств и транспортных средств с электромеханическими трансмиссиями в концерне «Русэлпром» читайте в следующих номерах журнала. Литература 9. Д.Б. Изосимов. Новые подходы к синтезу цифрового управления электроприводом переменного тока//Приводная техника, №4, 1997, стр. 8—14. 10. R. Park, B. Robertson. The reactances of synchronous machines.// Tr. AIEE, 1928,vol. 47. 11. Д.Б. Изосимов, Е.Н. Аболемов. Свойства уравнений обобщенного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором//Электричество, №4, 2008 г., с. 35—40. 12. Stanislav N. Florentsev. Traction Electric Equipment Set for AC Electric Transmission Various Vehicles//Proceedings of International Exhibition & Conference “Power Electronics, Intelligent Motion”. Power Quality (PCIM-2009). 12– 4 May 2009. Nurenberg. Germany. P. 625—627. 13. И.П. Ксеневич, А.А. Ипатов, Д.Б. Изосимов. Технологии гибридных автомобилей: состояние и пути развития отечественной автомобильной техники с комбинированными энергоустановками//Мобильная техника, №№ 2—3, 2003 г. 14. Stanislav N. Florentsev. From Russia with Automotive. AC electric drive of a hybrid city bus//Power System Design Europe. July/August 2009. P. 50—51. 15. Van den Bossche Peter, CITYLEC. A View On Current Trends In Electric Vehicle Standardization//EVS-15, Brussels, October 1—3, 1998. CD-ROM, Paper No. 316.

электронные компоненты №12 2009

73 Элек тропривод

двигатели, преобразователи, механические передачи, встроенные тормозные системы и системы охлаждения, силовые и электронные управляющие устройства — мехатронные модули движения. Специалисты видят в них перспективу и основное средство удешевления приводных систем, повышения их показателей. Российские организации в состоянии самостоятельно создать и организовать производство электроприводов, не уступающих мировому уровню [13, 14]. Основаниями для проведения разработок современных отечественных приводов являются наличие: – отечественных методик проектирования электрических двигателей для регулируемого привода, позволяющих выявлять их предельные возможности, проектировать активную часть приводов с существенно улучшенными массо-габаритными показателями и высокой эффективностью электромеханического преобразования; – методик идентификации параметров асинхронных двигателей и определения оптимальных режимов работы; – современной электронной силовой и управляющей элементной базы у отечественных разработчиков, позволяющей заниматься проектированием на высоком техническом уровне; – технологий и производственных мощностей для производства электромеханических и механических элементов привода, т.е. электродвигателей, тормозных, рулевых, охлаждающих и т.д. систем. Основными стратегическими положениями при создании и внедрении наукоемких компонентов для гибридной техники являются: – выделение наиболее перспективных направлений работ с учетом мирового опыта; – концентрация финансовых средств на экономически приоритетных (конкурентоспособных) и стратегических проблемах, по которым российские организации имеют приоритет, а также заделы, превосходящие мировой уровень, и технологический потенциал; – сотрудничество с ведущими инофирмами по организации совместных разработок компонентов, эксплуатации и совместного производства компонентов и транспортной техники; – комплексный подход, который подразумевает привлечение специалистов по системному проектированию, управлению, силовой и управляющей электронике, электроприводу, электромеханике, электрохимии, сертификации, производству, сервису, менеджменту, маркетингу, рекламе, дизайну, безопасности, материаловедению и т.д. – унификация разрабатываемых компонентов, интегрированных систем для техники различного типажа и назначения. Улучшение качества компонентов и транспортных средств требует разработки четкой программы стандартизации [15]. Без стандартов невозможно оценивать качество, а без их постоянного развития невозможно улучшать качество. Международные соглашения, такие как «Соглашение по торговле и тарифам» (GATT), определяют, что все подписавшие их страны будут использовать международные стандарты в тех случаях, когда таковые существуют. Для того чтобы новые технологии успешно внедрялись, необходимо, чтобы разрабатывались новые стандарты, причем на стадии проведения НИР и НИОКР по новой технике. В дальнейшем эти стандарты понадобятся для внедрения новых технологий на рынок наиболее эффективным путем. Необходима гармонизация отечественных стандартов с международными. В заключение заметим, что время для организации демонстрационных проектов, доказывающих возможность и целесообразность создания гибридных транспортных средств, прошло, демонстрировать и доказывать

Методы измерения шума в цифровых схемах Алексей Игнатов, техн. консультант, «ИД Электроника» В статье рассмотрены методы оценки джиттера в канале передачи. Отмечены достоинства и недостатки каждого подхода. Глазковая диаграмма

Т Е О Р И Я И П РА К Т И К А

использовать способность анализаторов BERT делать выборки сигнала напрямую, на скорости передачи. Недостаток измерения шума по глазковым диаграммам заключается не только в малом количестве анализируемых данных, но и в том, что сигнал оценивается разными способами. Другими словами, результат будет во многом зависеть от типа используемого инструмента. На практике для более надежного определения уровня шума пользуются несколькими методами поочередно.

Глазковая диаграмма — это суммарный вид всех битовых периодов измеряемого сигнала, наложенных друг на друга. Глазковая диаграмма строится путем измерения напряжения в различные моменты времени. На рисунке 1 слева приведены все варианты последовательностей из трех битов и их аналоговое представление. Накладывая эти сигналы друг на друга, получаем глазковую диаграмму. Глазковая диаграмма позволяет быстро и наглядно оценить качество цифрового сигнала, показывая все варианты последовательностей, в т.ч. длинные передачи логических нулей или единиц, которые часто выявляют слабые места в системе. Проведем аналогию. Как правило, в приемнике есть компаратор, который по амплитуде принятого сигнала распознает его как логический ноль или логическую единицу. Чтобы избежать появления ошибок, амплитуда сигнала анализируется только после установления всех переходных процессов. При анализе глазковой диаграммы применяется такой же подход, т.е. пробную точку ставят в середину глазка, где вероятность возникновения ошибки минимальна, особенно при наличии четкой пологой области. По мере приближения к точке пересечения вероятность появления ошибок растет. Заметим, что глазковая диаграмма показывает только параметры сигнала. С помощью нее нельзя обнаружить логические ошибки в алгоритмах или протоколах, а — только ошибки, вызванные большим уровнем помех или искажений в канале передачи. Основными параметрами глазковой диаграммы являются время фронта, время спада, коэффициент раскрытия глазка, высота и ширина глазка, относительная ширина места пересечения.

Второй параметр, характеризующий канал связи — это вероятность принятия ошибочного бита, которая вычисляется как отношение количества ошибочно принятых битов к общему количеству принятых битов (BER — bit error ratio). Этот показатель характеризует только качество приема информации, по нему невозможно определить причину плохой работы. Таким образом, ни один из рассмотренных способов не дает полного описания цифрового сигнала. У каждого подхода есть свои недостатки. Так, для современных быстродействующих устройств глазковая диаграмма — слишком поверхностный метод оценки, способный сильно исказить результат. Действительно, выборки для глазковой диаграммы делаются с частотой на несколько порядков меньшей, чем частота передачи. К примеру, осциллограф может делать до 100 тыс. выборок в секунду, однако для сигнала 10 Гбит/с — это очень низкая скорость. Качество передачи сигнала определяется по очень малой доле данных. Следовательно, глазковая диаграмма помогает выявлять в основном систематические ошибки, а не одиночные или редкие события. В итоге у сигнала может быть хорошая глазковая диаграмма, а качество передачи — плохое. Обычно современные системы передачи должны иметь вероятность появления ошибки не ниже 10 –12, а часто на уровне 10 –15, в то время как глазковая диаграмма отслеживает ошибки только с вероятностью не меньше 10 –5. Для устранения этого недостатка существуют два подхода: использовать анализаторы с большей частотой дискретизации, например, тестеры BERT, которые делают выборки в среднем на три порядка больше, чем цифровые осциллографы. Другой вариант —

Рис. 1. Принцип построения глазковой диаграммы

Рис. 2. Глазковая диаграмма (слева) и гистограмма распределения выборок в области перехода

www.elcp.ru

Гистограмма

Для определения параметра BER наиболее информативно место пересечения глазков. На рисунке 2 изображена глазковая диаграмма и гистограмма распределения выборок в точке пересечения. Гистограмма представляет собой распределение вероятности появления ошибки. На рисунке 3 показана область перехода на глазковой диаграмме и соответствующая гистограмма ошибки временного интервала (TIE — Time Interval Error). На глазковой диаграмме прослеживаются две отдельные линии фронтов и спадов, что указывает на присутствие в канале систематического шума. Размытость линий свидетельствует о наличии случайного шума. На гистограмме четко видны две области с максимальной вероятностью неверного распознавания бита. При анализе величины BER с помощью гистограммы следует иметь в виду, что результат измерения во многом зависит от длительности тестирования. Так, значение BER, полученное при быстром анализе, будет значительно отличаться от значения, полученного на том же анализаторе, но после нескольких часов непрерывного измерения.

Рис. 3. Гистограмма ошибки временного интервала в области перехода на глазковой диаграмме

Рис. 5. Распределение BER в двух плоскостях на глазковой диаграмме

Рис. 4. U-образная кривая

Рис. 6. Построение контура BER

В связи с этим в некоторых стандартах требуемый уровень BER приводится с указанием времени измерения. U-образная кривая

дится левая ветвь кривой от правой при определенном BER, тем больше запас устойчивости к джиттеру. Контур BER

Для быстрой оценки пригодности системы проводится сравнение с маской (mask testing). Вместо измерения параметров глаза в этом случае определяются ключевые области, в которые передаваемый сигнал не должен попадать (см. рис. 7). В противном случае система признается неработоспособной. В качестве маски может использоваться контур BER. Анализ занимает несколько секунд, однако он, как и глазковая диаграмма, достаточно поверхностный, поэтому позволяет обнаружить только систематические ошибки, а не одиночные события. BER Contour можно сделать более наглядным, если перевести его в трехмерный режим с помощью инструмента Eye Bowl. На рисунке 8 приведена объемная структура контуров BER. Верхние слои в этой структуре обозначают высокий уровень BER порядка 10 –2, а нижние — низкую вероятность появления ошибки (около 10 –16).

Часто при анализе шума удобно использовать U-образную кривую. Она представляет собой график зависимости частоты появления ошибочных битов (BER) от положения пробной точки на единичном интервале (Т). В области пересечения на глазковой диаграмме BER = 0,5 (равная вероятность правильного и неверного определения бита). В этой области преобладает механизм детерминированного джиттера, кривая идет полого (моменты Т = 0 и Т = ТВ на рисунке 4). По мере продвижения пробной точки к центру единичного интервала BER стремительно уменьшается, и усиливается влияние случайного шума. Оптимальное положение пробной точки — в центре единичного интервала (глаза). Помехоустойчивость системы определяется расстоянием между ветвями U-образной кривой. Чем дальше нахо-

Если мысленно сделать горизонтальный разрез области перехода на глазковой диаграмме, то будет получен профиль распределения битов. Второе измерение, которое проводится по глазковой диаграмме, делается относительно вертикального разреза в центре глаза. Полученный профиль позволяет судить о величине шума в канале и оценить его влияние на качество связи. На рисунке 5 показано распределение BER в области перехода на глазковой диаграмме и на пологой вершине. Комбинируя эти измерения, можно получить контур вероятности появления ошибки (BER Contour). Многие цифровые осциллографы, тестеры и анализаторы шума имеют такую функцию. Для построения линии BER пробная точка смещается по всему глазу, делая разрезы под произвольными углами (см. рис. 6).

Рис. 7. Анализ сигнала с помощью маски

Рис. 8. Представление структуры контуров BER в трехмерном виде

Литература 1. Guy Foster. Anatomy of an Eye Dia gram — a Primer. 2. Guy Foster. Bridging the Gap Between BER and Eye Diagrams — A BER Contour Tutorial. 3. Guy Foster. Measurements of PreEmphasis on Altera® Stratix® GX with the BERTScope 12500A. 4. Измерение джиттера в цифровых системах//www.unitest.com. 5. Guy Foster. Measurement Brief: Examin ing Sampling Scope Jitter Histograms. Т Е О Р И Я И П РА К Т И К А

электронные компоненты №12 2009

Базовые принципы построения ВЧ-тракта приемника беспроводной системы связи Виктор Александров, техн. консультант, ИД «Электроника» В статье освещены основополагающие принципы построения ВЧ-тракта приемника беспроводной системы связи. Рассмотрены основные функциональные блоки приемного тракта и особенности их интегрального исполнения. Обсуждаются преимущества и недостатки основных видов архитектур ВЧ-приемников.

Т Е О Р И Я И П РА К Т И К А

В общем случае в ВЧ-тракт беспроводного устройства входят все функциональные блоки между антенной и цифровой системой обработки сигнала основной частоты (digital baseband system). Для приемника беспроводной системы такими блоками являются фильтры, малошумящие усилители и смесители с понижением частоты, которые необходимы для преобразования модулированных сигналов, принятых антенной, в сигналы, предназначенные для подачи на вход АЦП основной частоты. Приемник в большинстве случаев представляет собой малошумящий усилитель, который преобразует входной сигнал с понижением частоты. Следовательно, особое значение имеет чувствительность и избирательность приемника. В свою очередь, передатчик преобразует выходной сигнал с повышением частоты перед его подачей на усилитель мощности. В данном случае первостепенное значение имеет нелинейность усилителя. При существенных различиях схемы входного тракта приемника и выходного тракта передатчика используют много общих устройств, например гетеродин. В данной статье основное внимание будет уделено приемному тракту беспроводной системы. Благодаря успехам в разработке и производстве интегральных схем, некоторые традиционные задачи аналоговой обработки сигнала промежуточной частоты (ПЧ) могут быть решены с помощью цифровых схем. Так, например, фильтрация и преобразование частоты сигнала могут быть выполнены цифровыми фильтрами и DSP. ВЧ-тракт является наиболее критичной частью схемы приемного устройства. Входной тракт приемника определяет оптимальное соотношение между общей производительностью системы, ее энергопотреблением и размерами. В конечном итоге от конфигурации ана-

www.elcp.ru

логового интерфейса зависит достижимая величина частоты битовых ошибок и отношения сигнал/шум приемного устройства. ВЧ-тракт в интегральном исполнении

ВЧ-тракт, как правило, реализуется в виде модуля, содержащего несколько интегральных схем, которые могут быть изготовлены с помощью различных технологий, таких как обычная КМОПтехнология или усовершенствованная SiGe-технология. Функционально такие многочиповые модули (или системы-вкорпусе) выполняют большинство, если не все, видов аналоговой обработки сигнала — фильтрацию, детектирование, усиление и демодуляцию. Многочиповые модули отражают важную тенденцию в развитии ВЧ-устройств, а именно — увеличение степени интеграции системы, т.е. возможность размещения все большего количества функций на кристалле. Причина этого заключается в уменьшении стоимости, снижении потребляемой мощности и размеров (особенно в мобильных и портативных устройствах). Однако, независимо от уровня интеграции, базовая архитектура ВЧ-тракта остается неизменной: фильтрация сигнала, усиление и демодуляция. Антенна принимает модулированный сигнал, который проходит через ВЧ-тракт приемника. После необходимой обработки во входных каскадах приемника модулированная или информационная часть сигнала (в виде сигнала основной частоты) готова для аналого-цифрового преобразования в дискретный вид. После оцифровки из сигнала извлекается информация в виде аудио-, видеоили данных. Каждый из функциональных блоков, которые должны быть объединены вместе в модуле ВЧ-тракта

приемника (ВЧ-фильтр, детектор, смеситель-демодулятор и усилитель), независим и разрабатывается отдельно. Поэтому для того чтобы минимизировать ослабление, искажение и отражения сигналов из-за разницы в импедансе, эти компоненты должны иметь стандартизованное характеристическое сопротивление 50 Ом. Такое же сопротивление имеет высокочастотное тестовое оборудование. Необходимо обеспечить согласование 50 Ом входного и выходного импедансов функциональных блоков, когда длина соединительных проводников между компонентами системы превышает длину несущей волны. В микросхемах и системах-в-корпусе, работающих на ГГц-частоте, линии межсоединений коротки, поэтому получить сопротивление в 50 Ом между блоками не представляет труда. Основное внимание следует уделить согласованию импеданса блоков, расположенных на печатной плате, из-за сравнительно длинных проводников. Функциональные блоки приемного тракта

Основным назначением ВЧ-тракта является детектирование и обработка радиоволн, переданных на определенной частоте или в диапазоне частот и имеющих известный тип модуляции. С помощью модуляции передается полезная информация: голос, аудио-, видео- или другие данные. Для детектирования радиоволн приемник должен быть настроен в резонанс с частотой или частотами передачи. Эти принятые сигналы фильтруются от ненужных сигналов и помех, а затем усиливаются. После усиления происходит процесс демодуляции, во время которого снимается полезная информация с радиосигнала. Эти три этапа — фильтрация, усиление и демодуляция — являются

составляющими общего процесса. Однако конкретная реализация этого процесса (т.е. разработка печатной платы ВЧ-приемника) зависит от типа, сложности и количества передаваемых данных. Например, проектирование ВЧ-тракта для обработки простого сигнала с амплитудной модуляцией требует намного меньше временных и материальных затрат, чем разработка ВЧ-тракта мобильного телефона последнего поколения (3G). Способы реализации различных архитектур ВЧ-тракта менялись в разные периоды времени. Однако основные требования для ВЧ-тракта, такие как частотный диапазон и тип принимаемого несущего сигнала, энергетический баланс канала ВЧ-связи, потребляемая мощность, производительность и габариты остаются практически неизменными. Рассмотрим основные архитектуры радиоприемников.

Рис. 1. Блок-схема простейшего АМ-приемника

Рис. 2. Принципиальная схема АМ-приемника

Основные типы радиоприемников Детекторный АМ-приемник

Рис. 3. Схема полуволнового выпрямителя

ки отрицательной или положительной полуволны сигнала (см. рис. 3). Перед детекторным диодом обычно помещают шунтирующую катушку индуктивности, которая служит ВЧ-дросселем. Катушка индуктивности поддерживает на входе детекторного диода потенциал земли и в то же время обеспечивает высокий входной импеданс, что необходимо для работы на ВЧ. В простом детекторном приемнике несущая AM-частота вызывает резонанс в цепи колебательного контура, состоящего из катушки индуктивности и переменного конденсатора. Колебательный контур действует подобно гетеродину, и в результате на выходе детектора появляется сигнал основной частоты (обычно аналоговый аудиосигнал). Сигнал основной частоты может быть либо аналоговым, либо цифровым, в зависимости от первоначального вида информации, использованного для модулирования несущей частоты. Процесс преобразования сигнала к уровню основной частоты является критичной операцией в большинстве современных радиоустройств. Исключением является временная или фазово-импульсная модуляция. Оконечным каскадом типового детекторного АМ-приеника является усилитель, который обеспечивает

необходимый уровень сигнала для прослушивающего устройства, такого как телефонная трубка или громкоговоритель. Одним из недостатков диодного детектора является недостаточная величина коэффициента передачи по мощности из-за ограничений АМ-схем. Дело в том, что при приеме сигнала AM-приемник с полуволновым выпрямлением формирует верхнюю и нижнюю боковые полосы частот [2]. Однако для полной демодуляции принятого сигнала нужна только одна боковая полоса. Другая боковая полоса содержит дублированную информацию. Таким образом, недостатки AM-передачи двояки: во-первых, для приема в данной полосе частот нужна удвоенная полоса для передачи информации и, во-вторых, теряется мощность, необходимая для передачи неиспользуемой боковой полосы (обычно до 50% общей мощности передачи). Конечно, есть и другие способы демодулирования сигнала детекторным приемником. Замена диодного детектора другим типом детектора позволяет обнаруживать частотно-модулированные или фазовомодулированные сигналы (последние применяются при передаче цифровых данных). Например, многие современные телекоммуникационные приемни-

электронные компоненты №12 2009

77 Т Е О Р И Я И П РА К Т И К А

Одним из базовых типов ВЧ-приемника является детекторный приемник с амплитудной модуляцией (АМ-приемник) (см. рис. 1). Информация, подобная речи или музыке, может быть преобразована в амплитудно-модулированный сигнал, передаваемый на несущей частоте. Такой ВЧ-сигнал может быть демодулирован на стороне приемника с помощью простого диодного детектора. Все, что необходимо для построения базового АМ-приемника — это антенна, ВЧ-фильтр, детектор и (опционально) усилитель для увеличения уровня полезного сигнала. Антенна, которая является емкостной на частотах, используемых для АМ-радиовещания, последовательно согласована с катушкой индуктивности для повышения тока, что увеличивает напряжение на вторичной катушке до максимального уровня. Можно использовать фильтр на переменной емкости для выбора нужной полосы частот (или канала) и блокировки нежелательных сигналов, таких как шум. Отфильтрованный сигнал затем преобразуется для демодуляции АМ-сигнала и восстановления полезной информации. На рисунке 2 представлена принципиальная схема, соответствующая блок-схеме на рисунке 1. Сердцем АМ-архитектуры является детекторный демодулятор. В качестве детектора используется диод. В случае простого AM-приемника детекторный диод работает как полуволновой выпрямитель, который преобразует (или выпрямляет) принятый переменный сигнал в постоянный путем блокиров-

ки используют фазовое манипулирование (phase shift keying — PSK), которое является разновидностью фазовой (угловой) модуляции. Возможности детекторных схем по различению соседних полос частот или каналов ограничены. Эта способность является показателем избирательности приемника и, в свою очередь, определяется способностью входного ВЧ-фильтра не пропускать нежелательные сигналы. Избирательность связана с показателем качества (или Q) ВЧ-фильтра. Высокое значение Q означает, что схема обеспечивает резкую фильтрацию и хорошее разделение между каналами — необходимое качество современных коммуникационных систем. Следует отметить, что избирательность и чувствительность детекторного АМ-приемника невысока. Приемник прямого усиления

Т Е О Р И Я И П РА К Т И К А

Более сложную архитектуру имеет приемник прямого усиления, состоящий из нескольких ВЧ-каскадов, которые одновременно настраиваются на принимаемую частоту перед детектированием, и усилителя (см. рис. 4). Каждый каскад состоит из полосового фильтра, в качестве которого могут выступать LC-контур, ПАВ-фильтр или диэлектрический резонаторный фильтр, а также усилителя сигнала. Оконечным каскадом схемы является комбинация диодного выпрямителя и аудиоусилителя, известная как сеточный детектор. В отличие от других архитектур, в данной схеме нет преобразования частоты входных сигналов, и они не смешиваются с сигналами гетеродинов. Исходный входной сигнал демодулируется на детекторном каскаде. С другой стороны, в этой простой архитектуре не генерируются сигналы зеркального канала, обычные для других видов приемников, которые используют частотные смесители, например, супергетеродинных приемников. Добавление каждого каскада LC-фильтра — усилителя в приемнике прямого усиления увеличивает общую избирательность. Отрицательная сторона — то, что каждый такой каскад должен быть индивидуально настроен на нужную частоту. Это не только трудно реализовать, но также означает, что полоса приема увеличивается с частотой. Например, если показатель Q схемы равен 50 на нижней границе AM-диапазона, скажем 550 кГц, то полоса пропускания приемника будет 550/50, или 11 кГц, т.е. это вполне приемлемое значение. Однако на верхней границе AM-спектра, например, 1650 кГц, полоса пропускания увеличивается до 1650/50, или 33 кГц. В результате избирательность приемника прямого усиления не явля-

www.elcp.ru

Рис. 4. Блок-схема приемника прямого усиления

Рис. 5. Блок-схема приемника прямого преобразования

ется постоянной величиной: на низких частотах она выше, а на высоких частотах — ниже. Такие отклонения избирательности могут вызывать нежелательные осцилляции и режимы в настроенных каскадах. Кроме того, усиление не является постоянным в полосе настройки. Из-за этих недостатков на практике, в частности, во многих современных беспроводных устройствах более широко применяются другие схемы приемников, такие как приемники прямого преобразования (Direct Conversion Receiver — DCR) и супергетеродинные приемники. Приемник прямого преобразования

Способом преодоления необходимости индивидуальной настройки нескольких ВЧ-фильтров в приемнике прямого усиления является прямое преобразование частоты исходного сигнала в намного более низкую основную частоту. В схеме приемника прямого преобразования высокая входная частота сигнала, несущего модулированную информацию, преобразуется в более низкую частоту, которая содержит модуляцию, но которую легче детектировать и демодулировать. Такое преобразование частоты достигается путем смешивания входного ВЧ-сигнала с опорным сигналом идентичной или почти идентичной частоты (см. рис. 5). Нелинейное смешивание двух сигналов дает сигнал основной частоты, который затем детектируется и демодулируется приемником. Опорный сигнал генерируется гетеродином. Когда входной ВЧ-сигнал смешивается в нелинейном устройстве (диодном смесителе или смесителе на полевом транзисторе) с сигналом гетеродина, то в результате формируется

сигнал ПЧ, который является суммой или разностью ВЧ-сигнала и сигнала гетеродина. Когда частота гетеродина выбирается одинаковой с частотой входного ВЧ-сигнала, то говорят, что приемник имеет гомодинную архитектуру (синхронную) или это приемник с нулевой ПЧ. В противном случае, когда частота опорного сигнала отличается от частоты, которую нужно детектировать, приемник называется гетеродинным. Термины «супергетеродинный» и «гетеродинный» являются синонимами («супер» означает «выше» или «сверх», а не «лучше»). Как в гомодинной, так и в гетеродинной схемах новые частоты генерируются путем смешивания двух или более сигналов в нелинейном устройстве (транзисторном или диодном смесителе). Смешивание двух тщательно выбранных частот приводит к созданию двух новых частот, одна из которых является суммой двух частот, а другая — разностью двух смешиваемых сигналов. Более низкая частота называется частотой биений, т.к. при смешивании двух близких частот образуется звуковая частота. Например, если смешивать частоту 2000 Гц и 2100 Гц будет сгенерирована звуковая частота 100 Гц. В результате частота сдвигается от более высокой к более низкой, в случае ВЧ-приемника — к основной частоте. Приемники прямого преобразования, или гомодинные (с нулевой ПЧ) приемники, используют гетеродины, точно синхронизированные с частотой несущего сигнала для того, чтобы прямо преобразовывать входной сигнал в основные частоты. В теории этот простой метод исключает необходимость использования каскадов с понижением частоты вместе с филь-

Супергетеродинные приемники

В отличие от сравнительно простой схемы приемника прямого преобразования, супергетеродинный приемник, как правило, содержит несколько каскадов преобразования частоты, которые, в свою очередь, содержат фильтры, усилители, смесители и гетеродины (см. рис. 6). Такая архитектура приемника обеспечивает превосходную избирательность и чувствительность. В отличие от приемника прямого преобразования, в котором частоты гетеродина синхронизированы с частотой входного ВЧ-сигнала, супергетеродинный приемник использует частоту гетеродина, которая смещена на фиксированную величину относительно частоты полезного сигнала. Такое смещение частоты позволяет получить промежуточную частоту, сгенерированную путем смешивания сигнала гетеродина с ВЧ-сигналом с помощью нелинейного устройства — диодного или FET-смесителя. В качестве гетеродина часто используется синхронный генератор, управляемый напряжением (ГУН), работающий в диапазоне частот преобразования входного ВЧ-сигнала в сигнал ПЧ. В последнее время для генерирования сигналов гетеродина в беспроводных приемниках используется и ряд других методов стабилизации частоты, включая пря-

мой цифровой синтез (direct-digital-synthesis — DDS), а также применение аналоговых синтезаторов с дробным (fractional-N) и целочисленным (integer-N) коэффициентом деления. Любой метод построения гетеродина должен обеспечивать необходимый частотный диапазон сигналов с возможностью ступенчатого повышения частоты в полосе частот системных каналов. Например, для системы с 25-кГц каналами не подходит гетеродин, который можно настраивать лишь с минимальным шагом 1 МГц. Кроме того, гетеродин должен обеспечивать приемлемый уровень однополосного фазового шума, специфицированный на частоте смещения, которая совпадает с частотным интервалом между системными каналами. Смещение частоты на 1 МГц от несущей не обеспечит достаточной информацией об уровне фазового шума, близкого к несущей частоте. Фазовый шум, близкий к несущей, обычно специфицируется на частоте смещения не более 1 кГц. Гетеродин должен обеспечивать достаточную мощность сигнала, подаваемого на смеситель. В некоторых случаях на выходе гетеродина включают буферный усилитель, который обеспечивает уровень выходного сигнала, достаточный для компенсации потерь на преобразование в смесителе. При разработке портативных устройств следует тщательно выбирать источник питания и учитывать потребляемую мощность гетеродина. Смесители

Смесители являются интегральной частью ВЧ-тракта любого современного приемника. Частотные смесители могут быть основаны на различных нелинейных устройствах, таких как диоды и полевые транзисторы. Из-за простоты и возможности работы без постоянного смещения диодные смесители превалируют во многих беспроводных системах. Существует несколько топологий смесителей,

электронные компоненты №12 2009

79 Т Е О Р И Я И П РА К Т И К А

трами, смесителями и гетеродинами. Это означает, что после антенны может быть включен ВЧ-фильтр с фиксированной частотой вместо нескольких настраиваемых фильтров, как в случае приемника прямого усиления. Следовательно, можно спроектировать ВЧ-фильтр с более высоким показателем Q. В схеме с прямым преобразованием нужный сигнал выделяется путем настройки гетеродина на желаемую частоту. Нежелательные частоты, которые появляются после преобразования частоты, остаются в полосе более высоких частот и могут быть отфильтрованы фильтром низких частот, включенным после смесителя. Если входной сигнал имеет цифровую кодировку, ВЧ-приемник использует для демодуляции цифровые фильтры в составе DSP. Необходимо использовать два смесителя, чтобы сохранить амплитуду и фазу исходного модулированного сигнала: один для синфазного (in-phase — I), а другой для квадратурного (quadrature — Q) выхода основной частоты. Квадратурное преобразование с понижением частоты необходимо, т.к. обычно формируются две боковые полосы около несущей частоты. Как мы уже видели, частоты этих боковых полос различны. Таким образом, использование единственного смесителя для сигнала с цифровой кодировкой привело бы к потере одной из боковых полос. Вот почему обычно используется I/Q-демодулятор для извлечения информации, содержащейся в I- и Q-компонентах сигнала. К сожалению, многие приемники прямого преобразования чувствительны к паразитным утечкам гетеродина, т.к. энергия гетеродина передается в I/Q-демодулятор через антенну или другим путем. Любые сигналы утечки гетеродина могут быть смешаны с основным сигналом гетеродина и, таким образом, может быть сформировано постоянное смещение, которое вносит ощутимую погрешность в сигнал основной частоты. Поэтому необходимо обеспечить хорошую изоляцию между гетеродином смесителя и ВЧ-портами для минимизации утечек гетеродина. Возможно, самым большим недостатком приемников прямого преобразования является их восприимчивость к различным источникам шума при постоянном токе, что приводит к формированию постоянного смещения. Причиной возникновения нежелательных сигналов обычно является рассогласование импеданса усилителя и смесителя. Жесткий контроль технологических процессов изготовления интегральных микросхем позволяет смягчить многие проблемы, связанные с возникновением постоянного смещения из-за возможного рассогласования импеданса. Другие способы решения проблемы постоянного смещения освещены в [2].

Рис. 6. Блок-схема супергетеродинного приемника

Рис. 7. Схема кольцевого балансного смесителя

Т Е О Р И Я И П РА К Т И К А

включая несимметричный смеситель, балансный смеситель и кольцевой балансный смеситель. Возможны и другие варианты этих конфигураций, например, смесители с подавлением зеркального сигнала и смесители на гармонике гетеродина, которые обычно используются на более высоких частотах, часто в миллиметровом диапазоне длин волн. Простейшим диодным смесителем является несимметричный смеситель, который может состоять из входного трансформатора с согласованием импеданса, единственного диода, ВЧ-дросселя и фильтра низких частот. Вносимые потери такого смесителя состоят из потерь на преобразование, диодных потерь и потерь в трансформаторе. Номинальные потери на преобразование боковой полосы равны 3 дБ, потери в трансформаторе около 0,75 дБ на каждую сторону. Кроме того, есть диодные потери из-за наличия последовательного сопротивления диода. Несимметричный смеситель является простым решением, которое часто

www.elcp.ru

используется в недорогих детекторах, таких как детекторы движения. Входной трансформатор для согласования импеданса должен обладать хорошей избирательностью, чтобы исключить излучение сигнала гетеродина обратно в ВЧ-терминал и в антенну. Балансный смеситель использует два встречно-включенных диода. В такой конфигурации шумовые компоненты от гетеродина или ВЧ-порта, которые поступают в диод, генерируются в противоположном направлении в другом диоде и почти полностью компенсируются на выходе ПЧ. Кольцевой балансный смеситель обычно строится на основе четырех диодов, включенных, как показано на рисунке 7. Такая конфигурация обеспечивает прекрасное подавление случайных помех и хорошую изоляцию между всеми портами. Из-за симметричного включения напряжение гетеродина изолировано от ВЧ-входа, что предотвращает появление напряжения ВЧ на выходе гетеродина. Потери на преобразование кольцевого балансного смесителя близки к

потерям на преобразование балансного смесителя, хотя динамический диапазон кольцевого балансного смесителя намного больше из-за увеличения точки перехвата. Путем объединения полевого или биполярного транзистора с монолитной микросхемой смесителя можно создать активный смеситель с усилением при преобразовании, а не с потерями. В общем случае этот тип смесителей может функционировать с меньшим уровнем возбуждения гетеродина, чем пассивные смесители на основе полевых транзисторов или диодов, хотя в активных смесителях также могут возникнуть искажения при чрезмерных уровнях возбуждения. В ВЧ-трактах, беспроводных приемниках или полных приемопередатчиках, изготовленных с использованием монолитных ИС, часто применяется активный смеситель, известный как «ячейка Гилберта». Такой тип смесителя сочетает малую потребляемую мощность, высокий коэффициент усиления и широкую полосу пропускания. Т.к. этот смеситель требует дифференциальных сигналов, он обычно реализуется с использованием входных и выходных трансформаторов, как в кольцевом балансном смесителе. Литература 1. Janine Sullivan Love. RF Front-End: World Class Designs. Chapter 9//www. rfdesignline.com. 2. Christopher Bowick. RF Circuit Design. Chapter 8//www.rfdesignline.com. 3. Dake Liu, Anders Nilsson. Multimode: How to design a programmable baseband device for multiple wireless standards// www.dspdesignline.com. 4. Kelly Maas. Suppressing and containing? Try spread spectrum clocking to reduce EMI// www.wirelessnetdesignline.com. 5. B. Keith Woodard. Tutorial: Tuning the baseband-to-radio connection for wireless basestations//www.commsdesign.com. 6. Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Skold, Per Beming. Wireless data rates, part 2: High-order and multi-carrier modulation// www.dspdesignline.com. 7. Rakesh Soni, Eric Newman. Direct conversion receiver designs enable multistandard/multi-band operation//www. rfdesignline.com.

Улучшение характеристик усилителей класса D Тейс Бэкерс (Thijs Beckers), инженер, Elektor

Прогресс не стоит на месте, и схемы постоянно совершенствуются. Сегодня мы продолжим тему усилителей класса D и остановимся на способах улучшения их качества. Благодаря высокому КПД усилители класса D отлично подходят для портативных устройств. Проходя через усилитель, сигнал модулируется в блоке широтно-импульсного модулятора (ШИМ), поэтому на выходе его необходимо восстанавливать (см. рис. 1). Обычно это делается с помощью оконечного ФНЧ. Однако фильтр неизбежно вносит помехи и дополнительное искажение сигнала. Кроме того, увеличивается размер и стоимость устройства. К счастью, существует несколько подходов, не требующих использования ФНЧ. Рассмотрим один из них на

примере усилителя MAX9700 (Maxim), упрощенная схема которого приведена на рисунке 2. Усилитель содержит два независимых выходных канала с компараторами. На вход компараторов поступает дифференциальный звуковой сигнал и сигнал с генератора пилообразного напряжения. Когда на выходах компараторов устанавливаются сигналы с низким уровнем, оба выхода усилителя переключаются в активное (высокий уровень) состояние. Выход элемента ИЛИ-НЕ также имеет высокий уровень, однако он устанавливается с задержкой, которая задается цепью RONCON. Когда сигнал с

Рис. 1. Обобщенная схема усилителя класса D

п о с л е ра б о т ы

выхода элемента ИЛИ-НЕ преодолевает пороговое значение, ключи S1 и S2 закрываются. Соответственно, выходы OUT+ и OUT– переходят на низкий уровень до следующего такта. Таким образом, оба выхода схемы находятся в активном состоянии только в течение короткого интервала t ON(min), который определяется номиналами RON и CON. Если на входе усилителя присутствует нулевой сигнал, то выходные сигналы OUT+ и OUT– находятся точно в фазе, и ширина импульса равна tON(min). При изменении амплитуды входного сигнала компараторы переключаются в разные моменты времени, поэтому ширина импульсов на выходах усилителя перестает совпадать. Средняя величина каждого выходного сигнала представляет собой выпрямленный исходный звуковой сигнал. Разность этих средних значений дает полный аудиосигнал. Поскольку выходы синфазны, когда на входе ноль, то дифференциальный сигнал в нагрузке отсутствует, а мощность потребления минимальна. Таким образом, мы избавились от необходимости использовать ФНЧ. У этой схемы есть еще одно достоинство. Импеданс динамика имеет две составляющих: активную (Re) и индуктивную (Le) (индекс е указывает на принадлежность к электронному компоненту). Вместе они образуют ФНЧ первого порядка с частотой среза fc = 1/(2πLe/Re) [Гц]. Для большинства динамиков ФНЧ первого порядка вполне достаточно для восстановления звукового сигнала и предотвращения излишнего рассеяния энергии. Следует обратить внимание, что индуктивные характеристики динамика должны сохраняться на частоте переключения усилителя, чтобы номинальная мощность была максимальна. Методы уменьшения помех

Рис. 2. Усовершенствованная схема усилителя, не требующая выходного ФНЧ

www.elcp.ru

Как правило, усилители класса D рассеивают значительное количество

энергии в виде электромагнитных помех. Поскольку выходной импульс имеет прямоугольную форму, то их сложно уменьшить до допустимого стандартом уровня без применения выходного фильтра. Одно из решений данной проблемы — расширение спектра частоты переключения. Рассмотрим пример. Пусть частота переключения усилителя меняется случайным образом в пределах некоторого диапазона, скажем, ±10%. Хотя при этом и увеличивается полоса частот, на которых усилитель излучает посторонние ВЧ-сигналы, зато пиковые значения сигналов на этой полосе существенно уменьшаются и не превышают допустимые уровни. Необходимо следить, чтобы рабочий цикл модулированного сигнала не менялся, иначе исходный звуковой сигнал или его часть будут потеряны. Таким образом, суммарная мощность в выходном спектре остается постоянной, но распределяется по более широкому диапазону частот. Пиковые значения ВЧ-сигналов уменьшаются, и излучение от проводов становится слабее. Данный метод модуляции с расширенным спектром позволяет суще-

ственно снизить электромагнитные помехи, однако у него есть один важный недостаток: длина кабелей, соединяющих динамик со схемой, ограничена. Чем больше длина проводов, тем больше мощности они рассеивают. Если излучение превышает допустимое значение, а длину кабелей уменьшить не удается, то необходимо использовать фильтр. Во многих случаях для этого достаточно использовать ферритовую шайбу. Рассмотрим другой способ уменьшения электромагнитных помех. Он называется методом регулирования наклона фронтов (ERC — edge rate control). В большей степени помехи, генерируемые усилителями класса D, обусловлены резкими краями выходных импульсов. Чем меньше время фронта или спада импульса, тем больше электромагнитных помех он создает. Если же эти времена увеличить, то края импульса перестанут быть резкими, и излучение ослабеет. Однако при этом изменяется форма импульса, что приводит к увеличению нелинейных искажений, появлению шумов и ухудшению характеристик усилителя. Так, чем дольше выходной каскад будет находиться в промежуточном положении между полностью включенным и

Обзор журнала Elektor №9, 2009 Тема ноябрьского номера Elektor — микроконтроллеры. Поскольку устройства на основе МК пользуются большим спросом и просты в изготовлении, то им всегда уделяется особое внимание в каждом номере Elektor. Многие проекты совершенствуются и дополняются возможностями, что приводит к созданию новых устройств. Тематическая рубрика включает несколько больших и средних проектов. Наиболее заметные среди представленных идей — это сетевой модуль (вебсервер на одной плате) для выхода в интернет на основе микроконтроллера R32C,

По вопросам приобретения образцов или сотрудничества с Elektor обращайтесь к Антону Денисову: anton@elcp.ru, тел.: (495) 741-77-01. Оформить бесплатную еженедельную подписку на новостную рассылку от издания Elektor можно на сайте www.elektor.com.

переходник USB-PS/2, миниатюрные электронные шахматы, контроллер энергии для паяльной станции и несколько новогодних игровых устройств, например, эмулятор первых компьютерных игр на основе ядра ATM18 или оригинальное устройство на основе голубых светодиодов, предназначенное для нейтрализации зимней депрессии. В рубрике «В лаборатории Elektor» инженеры делятся впечатлениями о программном обеспечении Altium и оценивают его работу на различных типах МК. Также в номере можно найти обзор ПЛИС Actel семейства IGLOO, советы по улучшению качества звука аудиоусилителей и обширную статью, посвященную методам поиска и заказа электронных компонентов через интернет.

Новинки компании «Мастер Кит»

| Цифровая ручка MT6080 | Пишите от руки в память компьютера! Для тех, кто конспектирует лекции, уроки, ведет заметки от руки, записывает протоколы переговоров и т.д. Записанный на бумагу текст автоматически переводится в текстовый файл или сохраняется в виде файла jpg. Работает также в он-лайн режиме. | Светодиодная фитолампа для подсветки растений MT5070 | Предназначена для освещения комнатных растений. Обеспечивает оптимальный для роста и развития растения спектр излучения, не нагревается при работе, экономична (потребляемая мощность — 9 Вт), имеет длительный срок службы (более 10000 ч работы). | Гибкая видеокамера MT1010 | Выполнена в виде «зонда» длиной около 60 см, на его конце расположена видеокамера и подсветка. С помощью двухметрового провода с USB-разъемом подключается к компьютеру: все, что «видит» электронный глаз на гибком зонде, отражается на мониторе компьютера. При нажатии кнопки можно выполнить фото- или видеосъемку, которые сохраняются в памяти ПК.

| Беспроводная система безопасности с полнофункциональным GSM-телефоном MT3050 | Система сообщит о взломе, задымлении или утечке газа в доме в виде голосового сообщения или sms на Ваш мобильный телефон. Устанавливается за час, не требуя профессиональных навыков. В составе — стационарный GSM-телефон, два беспроводных охранных датчика: движения и открывания двери, а также два пульта ДУ и тревожная кнопка. Работает с беспроводными датчиками задымленности и газа (по выбору). | Детектор утечки газов MT8055 | Применяется на кухнях жилых домов для защиты людей и помещений от утечки бытового газа. Индикация: световая и звуковая (85 дБ). Питается от сети 220 В. | Автоматическая защита компьютера от любопытных коллег MT8030 | Защитит ваш компьютер от любопытных: в Ваше отсутствие компьютер автоматически блокируется. При вашем появлении блокировка выключается. Возможен контроль безопасности нескольких компьютеров.

электронные компоненты №12 2009

83 п о с л е ра б о т ы

полностью выключенным состояниями, тем больше мощности будет рассеиваться в виде тепла. Несмотря на этот недостаток, метод регулирования фронтов является довольно распространенным среди разработчиков. При аккуратном расчете и проектировании схемы потери по мощности и нелинейные искажения можно свести к минимуму. Часто для уменьшения электромагнитных помех достаточно замедлить только часть фронта или спада. При этом модулированный сигнал корректируется включением дополнительных внутренних обратных связей. На практике для уменьшения электромагнитных помех важно соблюдать изоляцию сигнальных каналов и располагать аналоговые входы как можно дальше от всех элементов, работающих в ключевом режиме.

Светодиодные лампы как альтернатива галогенным Юрий Садиков, менеджер по продвижению продукции, «Мастер Кит» В данной статье на конкретном примере показано развитие современных энергосберегающих технологий, и разобраны причины, по которым эти технологии самостоятельно, без помощи государства или международных фондов, находят свое место на современном рынке. Мы давно привыкли к разнообразию осветительных устройств, доступных на рынке: лампы накаливания, электролюминесцентные лампы, галогенные, натриевые и уж совсем экзотические — индукционные лампы. Тем не менее за кажущимся многообразием скрывается технически и экономически обоснованное разделение рынка. Так, в быту обычно применяются лампы накаливания и электролюминесцентные лампы, для офисного освещения — в основном электролюминесцентные, для освещения торговых залов и подсветки витрин — галогенные, а для уличного освещения — натриевые лампы. Однако появление еще одного источника света, сверхъярких светодиодов, стремительно изменило состояние рынка. Новый класс светодиодных ламп, представленный под торговой маркой «Мастер Кит», предназначен для замены 12-В галогенных ламп MR16 мощностью 35 Вт (BM6031) и 50 Вт (BM6032), а также ламп накаливания 220 В/40 Вт со стандартным резьбовым цоколем (BM6033). Внешний вид указанных ламп приведен на рисунках 1 и 2. Преимущества светодиодных источников света

п о с л е ра б о т ы

Мощность потребления ламп BM6031 и BM6032 составляет, соответственно 3 Вт и 6 Вт. Таким образом, по сравнению с галогенными аналогами они позволяют существенно сократить расход электроэнергии. Во-вторых, источник света в галогенных лампах имеет сравнительно

небольшой разброс времени жизни 200…4000 ч, в то время как светодиоды работают до 50 тыс. ч. При этом важно заметить, что срок жизни галогенных ламп определяется до момента, после которого 50% ламп выйдет из строя, а у светодиодов срок жизни определяется моментом, после которого интенсивность света снизится на 30%. Другими словами, время работы светодиода может превосходить заявленное значение, но излучаемый свет будет постепенно тускнеть. Эффективность современных светодиодных ламп составляет около 20%, а галогенных — 2—3%. Кроме того, светодиодные источники характеризуются неограниченным количеством циклов включения и выключения. Ресурс переключения галогенных ламп не превышает 1000 раз. Один из недостатков галогенных светильников заключается в большой рассеиваемой мощности. Нагрев приводит не только к дискомфорту людей, находящихся рядом, но и к потенциальной угрозе: в закрытом пространстве галогенная лампа может взорваться. Для сравнения, светодиодные источники излучают в 10 раз меньше тепловой энергии. Кроме того, светодиодные лампы могут работать от аккумуляторных батарей. Например, нескольких аккумуляторов от мобильных телефонов будет достаточно для питания 10 светодиодных ламп BM6032 в течение 10 ч. Подобные системы бесперебойного питания уже запланированы к серий-

ному производству. Они будут наиболее востребованы в таких областях как системы аварийного освещения. Наконец, нельзя не упомянуть о такой характеристике световых источников как распределение света. Любая галогенная лампа имеет в своей конструкции отражатель, поэтому освещенность в центре светового пятна всегда значительно выше, чем у контура. У светодиодной лампы световое пятно однородно по всему рисунку и практически не изменяется от центра к контуру. Цветовая температура галогенной лампы находится в теплом диапазоне, комфортном для человеческого глаза, но едва подходящем для систем подсветки, где приветствуются более холодные тона. Светодиодные лампы имеют широкий диапазон цветовых температур, что делает их более пригодными для систем подсветки. DMX-контроллер для управления светодиодными лампами

В ассортименте «Мастер Кит» появился DMX-контроллер BM9230 для дистанционного управления светодиодными лампами 12 В от персонального компьютера (см. рис. 3). Благодаря имеющемуся в контроллере программному обеспечению, у продвинутого пользователя есть возможность управления освещением по трем каналам. Устройство питается от источника постоянного напряжения 12…24 В. В состав BM9230 входят следующие модули: стабилизаторы тока светодиодных модулей, источник питания и микропроцессорный блок, осуществляющий прием и обработку сигналов протокола DMX-512, управление драйверами и индикацию режимов работы. Более подробную информацию о новинке можно узнать на сайте производителя www.masterkit.ru. Чем лампы «Мастер Кит» отличаются от продукции азиатских производителей?

Рис. 1. Светодиодная лампа BM6031/BM6032

www.elcp.ru

Рис. 2. Светодиодная лампа BM6033

1. В лампах «Мастер Кит» используются светодиоды исключительно

Рис. 3. Органы управления DMX-контроллера BM9230

Полное описание светодиодных ламп «Мастер Кит», а также других светодиодных источников приведено на сайте www.masterkit.ru/main/bycat. php?num=39.

электронные компоненты №12 2009

85 п о с л е ра б о т ы

ведущих мировых производителей, что гарантирует соответствие реальных световых характеристик заявленным в документации. 2. Радиатор светодиодной лампы «Мастер Кит» разработан в соответствии с тепловым расчетом и обеспечивает требуемое охлаждение кристалла. Таким образом, перегрев исключен, а время жизни лампы максимально. 3. Источник питания лампы «Мастер Кит» изготавливается из электронных компонентов ведущих производителей, при этом специалисты контролируют качество поставляемых компонентов и процесс их установки на собственном предприятии. 4. Цоколь лампы «Мастер Кит» изготовлен из стеклонаполненного полиамида, устойчивого к высоким температурам и обладающего высокими электроизоляционными свойствами. У большинства азиатских производителей цоколь изготавливается из ABSпластика, имеющего худшие электроизоляционные свойства.

Новые компоненты на российском рынке АВТОМОБИЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Микросхемы для расширенного температурного диапазона до 150°C от Microchip Компания Microchip анонсировала самую широкую в отрасли линейку микросхем, рассчитанных на расширенный температурный диапазон до 150°C, включая 8- и 16-разрядные PIC® микроконтроллеры и контроллеры цифровой обработки сигналов dsPIC®, последовательную память EEPROM и различные аналоговые микросхемы. Вся линейка проверена на полное соответствие требованиям стандарта AEC-Q100 Grade 0 и оптимизирована для автомобильных приложений, находящихся в непосредственной близости от двигателя; экстремальных промышленных применений, таких как буровые установки и осветительное оборудование; ответственных медицинских приложений, таких как автоклавы и т.п. Микросхемы с расширенным диапазоном рабочих температур открывают новые возможности для инженеров, разрабатывающих электронную начинку для устройств, эксплуатирующихся в экстремальных условиях. Выход верхней границы рабочих температур за ставшие привычными 125°C продиктован постоянно растущими требованиями рынка, и компания Microchip старается идти в ногу со временем. Возможность установки микросхем непосредственно в зону повышенных температур позволяет использовать бесщеточные электродвигатели (BLDC) вместо электродвигателей с ременным приводом для водяных насосов, охлаждающих вентиляторов двигателей, перепускных клапанов турбокомпрессоров, управления дросселем и т.п. Это улучшает эффективность использования топлива и уменьшает выбросы за счет более разумного использования передовых технологий. Теперь датчики могут быть установлены непосредственно в КПП автомобиля или в систему охлаждения. В линейке микроконтроллеров для расширенного температурного диапазона есть компактные контроллеры с CANи LIN-интерфейсами. Отсутствие потребности в тепловой защите позволяет снизить стоимость и упростить конечное устройство. Microchip Technology www.microchip.com Дополнительная информация: см. Microchip Technology

АЦП/ЦАП

Быстродействующий 16-канальный 24-разрядный АЦП от Analog Devices Компания Analog Devices предлагает микросхему AD7194 — малошумящий входной тракт для систем, требовательных к высокой точности преобразований. Она содержит сигма-дельта АЦП высокой точности (24 разряда), мультиплексор (16 каналов) и усилитель с программируемым коэффициентом усиления (1—128).

На входы устройства можно подавать 8 дифференциальных или 16 псевдодифференциальных сигналов. Имеется встроенный генератор тактовых сигналов на 4,92 МГц, но можно использовать внешний тактовый генератор или кварцевый резонатор. Скорость вывода данных на выходе варьируется от 4,7 Гц до 4,8 кГц. Вместе с АЦП работает цифровой фильтр с малым временем установления.

WWW.ELCP.RU

Новая микросхема AD7194 предназначена для работы в системах сбора данных, программируемых промышленных компьютерах, датчиках расхода и температуры, медицинских приборах, научном оборудовании, датчиках давления, весах, портативном измерительном оборудовании. Миниатюрный корпус 32-LFCSP поможет сэкономить место на печатной плате, уменьшить габариты устройства. Интерфейс управления и данных SPI упрощает сопряжение микросхемы с микроконтроллером или процессором. Краткие технические характеристики: – широкий диапазон рабочих напряжений питания 3,0…5,25 В; – номинальный потребляемый ток 4,65 мА; – номинальный уровень шума 11 нВ эфф. (при Ку = 128, Fд = 4,7 Гц); – эффективное число разрядов преобразования: 22 при Ку = 1, и 15,5 при Ку = 128; – дрейф смещения ±5 нВ/°С; – дрейф усиления 1 ppm/°С; – диапазон рабочих температур –40…105°С. Analog Devices Inc. www.analog.com Дополнительная информация: см. «Элтех», ЗАО

ВСТРАИВАЕМЫЕ СИСТЕМЫ

Новые ГЛОНАСС/GPSприемники от ЗАО «КБ Навис» Компания «Макро Групп» представляет новые модули производства ЗАО «КБ Навис» NV08C-NV08CMCM-M и NV08C-CSM-R. Семейства модулей нового поколения работают по сигналам ГЛОНАСС/GPS/GALILEO/COMPASS и их функциональным дополнениям. Новые разработки «КБ Навис» примечательны тем, что все необходимые для работы компоненты, кроме антенн, имеются внутри модуля. От предыдущего поколения приемников эту серию отличают меньшие габариты, повышенная чувствительность приемников. Все модули нового семейства имеют 32 канала приема навигационных сигналов на частоте L1. NV08C-MCM-M изготавливается по технологии многокристального модуля на кристаллах NV08CD и NV08CA методом flipchip. Максимальная потребляемая мощность при работе от двух навигационных систем 150 мВт, а в режиме однократных определений по двум навигационным системам — 20 мВт. Размер — 9×11×2,5 мм. Модуль выполнен в корпусе BGA. NV08C-CSM-R — это навигационный ОЕМ-модуль на основе СБИС NV08CD и NV08CA. Его основные отличия от NV08CMCM-M в том, что он имеет расширенные возможности по внедрению в различные приложения за счет использования встроенной в приемник перепрограммируемой ROM (флэш). Модуль проектировался с учетом потребностей автомобильного рынка, поэтому при изготовлении модуля были соблюдены все требования стандарта Automotive. Максимальная потребляемая приемником мощность при работе по сигналам ГЛОНАСС/GPS 180 мВт, в режиме однократных определений по двум навигационным системам — 30 мВт. Размер модуля в корпусе под SMT-монтаж — 18×24×3 мм. NV08С-CSM-R не требует дополнительной элементной базы для встраивания его в пользовательскую навигационную систему, что снижает время вывода на рынок аппаратуры с использованием данного модуля. ЗАО «КБ Навис» www.navis.ru Дополнительная информация: см. «Макро Групп», ЗАО

«Компьютер-на-модуле» c процессором Intel Atom и энергосберегающей функцией S5 Eco от Kontron «Компьютер-на-модуле» microETXexpress-DC холдинга Kontron базируется на процессоре Intel Atom N270 с частотой 1,6 ГГц, поддерживающем технологию Hyper-Threading, и чипсете Intel 945GSE. Наличие мощной 3D-графики, возможность подключения двух дисплеев, необходимые интерфейсы и низкое энергопотребление позволяют применять microETXexpress-DC в широком спектре встраиваемых приложений (медицинское и контрольноизмерительное оборудование, транспорт, промышленная автоматизация, энергетика, решения Digital Signage для информационных и кассовых терминалов). Новинка поддерживает напряжение питания 8,5…18 В, что избавляет разработчиков от необходимости устанавливать на базовые платы дорогие преобразователи постоянного тока. Кроме того, это первый продукт холдинга Kontron с новой высокоэффективной энергосберегающей функцией S5 Eco, способной заменить режим S5. В состоянии S5 Eco потребляемый ток составляет менее 1 мА, что как минимум в 200 раз меньше, чем в стандартном режиме S5. «Компьютер-на-модуле» имеет 533-МГц системную шину и может нести до 2 Гбайт памяти DDR2 533. Сигналы SVDO для интерфейсов VGA и DVI передаются по шине PCI Express Graphics (PEG). MicroETXexpress-DC оснащен также выходом ТV-out. Два 18-разрядных канала LVDS и поддержка до 224 Мбайт графической памяти позволяют осуществлять вывод графики на два цифровых или аналоговых дисплея в разрешениях до 1600×1200 (UXGA) и до 2048×1536 (QXGA), соответственно. Несмотря на малые габариты (95×95 мм), устройство является полноценным компьютером с интерфейсами 1×Gigabit Ethernet, 2×Serial ATA, 1×Parallel ATA, 8×USB 2.0, 3×PCI Express×1 и 1×PCI 2.3, которые выведены в разъем COM Express Type 2. Модуль обладает повышенной устойчивостью к воздействию ударно-вибрационных нагрузок и соответствует стандарту IEC 60068-2-6. Kontron www.kontron.com Дополнительная информация: см. «РТСофт», ЗАО Две новые версии расширений реального времени (RTX) для Windows от IntervalZero Компания IntervalZero Inc., один из ведущих разработчиков программных решений, официальным представителем которой в России является ЗАО «РТСофт», объявляет о выпуске двух новых версий расширений RTX для Windows — RTX 2009 и RTX 2009 SMP. Новые программные средства для реализации «жесткого» реального времени в среде Windows с детерминистическими характеристиками и поддержкой симметричной мультипроцессной обработки значительно расширяют возможности производителей прикладных систем. Они позволяют разрабатывать более компактные системы, повышать объемы, темпы и качество производства при одновременном снижении его себестоимости. Благодаря реализованной в передовой архитектуре SoftControl Architecture поддержки мультипроцессной обработки в многопроцессорных архитектурах и тесной интеграции со средой Windows, ее применение позволяет отказаться от специализированных аппаратных средств оперативного регулирования на основе ПЛК или других устройств управления. Программные средства, разработанные с использованием открытых стандартов и стандартных коммуникационных архитектур (USB, Real-Time Ethernet), могут исполняться обычными многоядерными процессорами типа х86. Новые версии расширения IntervalZero RTX 2009 различаются поддержкой многопроцессной обработки: – RTX 2009 поддерживает выполнение операций реального времени в одном общем либо выделенном RTX-процессоре в одно- или многопроцессорной системе. – RTX 2009 SMP поддерживает использование для выполнения операций реального времени либо одного общего, либо до семи выделенных RTX-процессоров (в многоядерных/многопроцессорных системах).

Расширения RTX 2009 и RTX 2009 SMP поддерживаются операционными системами Microsoft Vista, Windows XP и Windows Embedded Standard 2009, а также Visual Studio 2008. После официального выхода Windows 7 и Windows Embedded Standard 2011 в RTX будет добавлена поддержка и этих операционных систем. IntervalZero Inc. www.intervalzero.com Дополнительная информация: см. «РТСофт», ЗАО

ДАТЧИКИ

Новые датчики влажности с пониженным энергопотреблением компании Honeywell Новые датчики влажности серии HIH-5030/5031 созданы с использованием КМОП-технологии и имеют аналоговый выход но напряжению. Низкое напряжение питания (менее 2,7 В) и низкий ток потребления позволяют использовать их в системах с батарейным питанием. Кроме того, они обладают большей точностью во всем измеряемом интервале относительной влажности 0…100%, по сравнению с ранее выпускавшимися этой фирмой датчиками этой серии HIH-4030/4031. Многослойная конструкция чувствительного элемента позволяет датчикам работать в агрессивной среде с повышенным содержанием конденсата, пыли, загрязнений, масла и различных химикатов. Датчик HIH-5030 представляет собой микросхему в корпусе, защищающем чувствительный элемент от попадания влаги, а датчик HIH-5031 снабжен к тому же специальным гидрофобным фильтром. Серия HIH-5030/5031 предназначена для применения в промышленности и медицине в самых различных видах оборудования: компрессорном, сушильном, морозильном, обрабатывающем, метеорологическом, а также в системах с батарейным питанием, в климатическом оборудовании, во встраиваемых приложениях, в больницах, в камерах для доращивания младенцев и в дыхательных аппаратах. Кроме того, датчики, встроенные в аппаратуру, позволяют контролировать уровень влажности аппаратуры, что позволяет увеличить срок службы всего изделия и получить, таким образом, ощутимую экономию вложенных средств. Датчики влажности серии HIH-5030/5031 предназначены для поверхностного монтажа (имеют SMD-корпус), что позволяет применять современные технологии пайки, и поставляются в ленте на катушках по 1000 шт. Honeywell International Inc. www.honeywell.com Дополнительная информация: см. «Компэл»», ЗАО

Омниполярные цифровые датчики положения на эффекте Холла компании Honeywell Компания Honeywell представила на рынок омниполярные цифровые датчики положения, использующие эффект Холла — SS351AT и SS451A. Все cвои датчики положения, использующие эффект Холла, компания Honeywell условно делит на датчики первого уровня сложности (1st Level Hall-Effect Position Sensors), которые выпускаются в виде микросхем; датчики второго уровня сложности (2nd Level Value Added Hall-Effect Position Sensors), которые, как правило, имеют стальной корпус; датчики скорости и направления различных типов. Среди цифровых датчиков положения Холла первого уровня в линейке этого производителя ранее присутствовали только биполярные и униполярные модели. Теперь появились и омниполярные. Омниполярными (всеполярными) этот тип датчиков называется потому, что они включаются как полем положительной полярности, так и полем отрицательной полярности, что делает установку таких датчиков проще и дешевле, потому что не нужно тратить время и усилия на определение полярности внешнего

электронные компоненты №12 2009

поля. Именно это обстоятельство должно, по мнению производителя, заинтересовать разработчиков. В целом, SS351AT и SS451A являются продолжением вышедших ранее на рынок других цифровых датчиков Холла из этой же линейки SSxx: SS311PT, SS411P, SS30AT, SS361RT, SS461R, SS340RT, SS440R. Микросхемы SS351AT и SS451A обладают уменьшенными габаритами, что позволяет снизить их стоимость, и предназначены для недорогих систем, отслеживающих перемещение объектов, а также закрытие крышек и клапанов. Это определяет предполагаемые сферы применения этих датчиков: климатическое оборудование, промышленность (в том числе робототехнические системы) и медицинское оборудование. Honeywell International Inc. www.honeywell.com Дополнительная информация: см. «Компэл»», ООО

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Новые модули фильтрации и защиты от компании «Александер Электрик ИЭП» ООО «Александер Элек трик Источники Электропи тания» завершило разработку модулей фильтрации и защиты питающих цепей постоянного тока серий МРМ, МРО. Модули фильтрации и защиты предназначены для работы в сетях постоянного тока 27 и 60 В, имеют коэффициент ослабления помех 30…60 дБ и защиту от выбросов напряжения до 1000 В. Модули удовлетворяют требованиям к воздействиям механических, климатических и биологических факторов со значениями характеристик, соответствующими группе унифицированного исполнения 4У по ГОСТ РВ 20.39.414.2-97, а также требованиям ГОСТ РВ 20.39.414.2-98 по стойкости к воздействию специальных факторов 7.И и 7.С для группы 5Ус и факторов 7.К для группы 1К. Диапазон рабочих температур –60…85°С. Технические условия БКЮС.468240.003-01 ТУ утверждены Управлением развития электронной компонентной базы. Предприятием направлены предложения по включению модулей в перечень МОП 44001.18-2009. ООО «Александер Электрик ИЭП» www.aeip.ru Дополнительная информация: см. «Александер Электрик Источники Электропитания», ООО

Новые AC/DC-преобразователи на 30 и 40 Вт от Aimtec Компания Aimtec Inc. расширила свою линейку AC/DC-источников питания новыми сериями AMExx30MAZ(30W) и AMExx40-MAZ(40W). Новые источники питания имеют три варианта исполнения: закрытый, в кожухе и открытый. Источники питания рассчитаны на входное напряжение 90…260 В AC, 47…440 Гц или 120…370 В DC, работают в температурном диапазоне –40…85°C, обеспечивают изоляцию 4000 В AC (ток утечки 150 мкA), имеют одиночный или двуполярный выход 3,3…24 В DC с уровнем пульсаций 50 мВ и нестабильностью выходного напряжения 0,5%. Все AC/DC-источники питания компании Aimtec соответствуют стандартам EN60601-1-2, EN55011 class B, IEC/EN 61000-3-2, -3-2, IEC 61000-4-2,-4-1,-4-5,-4-6,-4-8,-4-11 и идеально подходят для промышленного, медицинского и измерительного оборудования. Aimtec Inc. www.aimtec.com Дополнительная информация: см. «МТ-Систем», ООО

WWW.ELCP.RU

МИКРОСХЕМЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Новые компактные драйверы MOSFET и линейные стабилизаторы от Microchip Компания Microchip анонсировала новую линейку решений для «экоэлектроники». Драйверы MOSFET для синхронных понижающих преобразователей MCP14628 и MCP14700, а также линейные LDO-стабилизаторы напряжения MCP1804 обеспечивают максимальную эффективность при минимальных габаритах корпусов. Новые драйверы MOSFET для синхронных понижающих преобразователей управляют двумя n-канальными MOSFET и предназначены для создания неизолированной топологии преобразователей. Оба драйвера обеспечивают надежную защиту от защелкивания, а MCP14628 имеет дополнительный режим эффективной работы на неполную нагрузку. Драйвер MCP14700 с двумя входами отлично подходит для 3,0-В ТТЛ/КМОП-контроллеров, так как позволяет непосредственно управлять и верхним, и нижним плечами и имеет возможность управления времени задержки включения для возможности работы с различными типами MOSFET. Стабилизаторы MCP1804 имеют входное напряжение до 28 В и выходное напряжение 1,8…18 В при выходном токе до 150 мА. При токе покоя 50 мкА стабилизатор также имеет специальный энергосберегающий режим, когда выходы отключены, и ток покоя составляет не более 0,01 мкА. Также следует отметить, что из внешних компонентов для LDOстабилизатора требуется только миниатюрный и недорогой керамический конденсатор емкостью 0,1 мкФ на входе и выходе. MOSFET-драйверы MCP14628 и MCP14700 доступны в следующих видах корпусов: 8-выводный SOIC и 3×3 мм DFN. Стабилизаторы MCP1804 предлагаются в 3- и 5-выводных корпусах типа SOT23, а также в теплоотводящих корпусах SOT-89 и SOT-223. Microchip Technology www.microchip.com Дополнительная информация: см. Microchip Technology

МК И DSP

Новое семейство 32-разрядных микроконтроллеров PIC32 от Microchip Компания Microchip расширяет номенклатуру 8-МГц 32-разрядных микроконтроллеров PIC32 тремя новыми семействами. Новые семейства PIC32MX5/6/7 разработаны специально для информационно-емких приложений на базе распространенных коммуникационных протоколов, предоставляемых в бесплатных программных стеках Microchip. Это позволяет упростить и ускорить разработку сложного устройства. Микроконтроллеры PIC32 обладают лучшей в своем классе производительностью согласно последнему тесту EEMBC CoreMark и широко известному тесту Dhrystone. Новые микроконтроллеры PIC32 с повышенной производительностью содержат до 128 Кбайт ОЗУ и расширенную периферию, включая 10/100 Мбит/с Ethernet, 2×CAN2.0b, USB Host, Device и OTG, 6×UART, 5×I2C и 4×SPI. Интегрированный 100 Мбит/с Ethernet MAC использует стандартизованный в промышленности интерфейс RMII/MIII для подключения недорогих чипов физического уровня (PHY), при этом CAN- и USB-модули имеют встроенный DMA для достижения максимальной пропускной способности. Компания Microchip предлагает бесплатные TCP/IP- и USBстеки протоколов с открытым исходным кодом, что позволяет

ускорить разработку ПО. Доступное ПО включает наиболее востребованные протоколы TCP/IP, протоколы USB Host и Device, AES-шифрование, различные файловые системы, графические и звуковые библиотеки и многое другое. Как и прежде, компания Microchip обеспечивает простую миграцию в рамках различных семейств PIC-контроллеров, что обуславливается едиными средствами отладки, общими стеками протоколов USB и TCP/IP. Также микроконтроллеры PIC32MX5/6/7 совместимы по выводам с предыдущим семейством PIC32 и семейством 16-разрядных PIC24F с USB. Для ускорения освоения разработчиками нового семейства микроконтроллеров предлагаются отладочные демонстрационные платы PIC32 Ethernet Starter Kit (DM320004) и PIC32 USB Starter Kit II (DM320003-2). Также доступны колодки для популярной отладочной платы разработчика Explorer 16 Development Board (MA320003). Microchip Technology www.microchip.com Дополнительная информация: см. Microchip Technology

МОБИЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Новый аудиоусилитель класса D для портативных приложений от On Semiconductor Компания On Semiconductor анонсировала новую микросхему аудиоусилителя класса D со встроенной схемой вольтдобавки — NCP2830. Усилитель обеспечивает выходную мощность до 1,2 Вт на нагрузке 8 Ом с коэффициентом гармонических искажений менее 1%. Микросхема NCP2830 работает при напряжении питания 2,7…5,5 В, имеет быстрое время запуска (200 мкс), КПД достигает 89%, отношение сигнал/шум на выходе составляет 100 дБ. NCP2830 поставляется в миниатюрном корпусе UQFN-20 размером 3×3 мм, имеет минимальное количество внешних компонентов, что позволяет значительно сократить площадь монтажа. При этом у разработчика появляются дополнительные возможности: – дистанционное отключение (Shutdown input); – дистанционное отключение вольтдобавки (Wire Mode); – дистанционное переключение входного импенданса (Gain Select Input). ON Semiconductor www.onsemi.com Дополнительная информация: см. «МТ-Систем», ООО

ОПТОЭЛЕКТРОНИКА

SMD-светодиоды с высоким световым потоком и энерго сбережением от Everlight Electonics Компания Everlight Electonics представляет два новых SMDсветодиода: 99-51 с боковым свечением и 62-127 с верхним свечением. Вариант с боковым свечением имеет световой поток 2200 мкд и узкий корпус для использования в подсветке малых LCD-дисплеев (с диагональю до 10 дюймов), которые обычно устанавливают в ноутбуках, мобильных телефонах и т.п. Светодиод 62-127 с верхним свечением имеет больший световой поток — 7200 мкд. Он специально разработан для использования в подсветке больших ЖК-дисплеев мониторов и телевизоров, а также для использования в световых трубках, индикаторах или в интерьерной подсветке. Everlight Electonics www.everlight-electronics.ru Дополнительная информация: см. «Политекс», ООО

Новая серия светодиодов Shuen от Everlight Electonics Компания Everlight Electonics расширила ассортимент мощных светодиодов новой серией Shuen, в которую входят наиболее яркие светодиоды в компактном керамическом корпусе. Корпус светодиодов серии Shuen состоит из керамической основы и линзы, что обеспечивает высокую яркость при небольших размерах, подходящих для самого широкого спектра приложений, таких как системы основного освещения, фотовспышки, системы точечной подсветки, сигнальные приборы, промышленное освещение и другие приборы освещения. Серия имеет изолированный теплоотвод и улучшенные температурные и электрические параметры. Светодиоды серии Shuen отвечают всем требованиям для систем светодиодного освещения, которые обеспечивают экологичность, энергосбережение, надежность и долгий срок службы. Светодиоды Shuen демонстрируют отличные выходные характеристики, в том числе высокий световой поток. При рабочем токе до 350 мА светодиоды через 65000 ч эксплуатации сохраняют 70% первоначальной яркости. Кроме того, эти светодиоды способны работать при допустимом значении тока 700 мА. Everlight Electonics www.everlight-electronics.ru Дополнительная информация: см. «Политекс», ООО Новая серия светодиодов Phenix от Prolight Opto Тайваньская компания Prolight Opto выпустила новую серию мощных светодиодов на миниатюрной керамической подложке, предназначенную, в первую очередь, для освещения. Серия Phenix создана на основе собственных разработок компании Prolight, с использованием подложки из меди, имеющей высочайшую теплопроводность. Светодиоды Phenix производятся в соответствии со стандартом JEDEC 1 MSL и предназначены для технологии поверхностного монтажа. Пайка светодиодов осуществляется по бессвинцовой технологии в полном соответствии с Европейской Директивой о запрете вредных веществ (RoHS). Светодиоды Phenix имеют 100-% взаимозаменяемость со светодиодами LUXEON Rebel производства Philips Lumileds. Кристалл, линза и корпус, используемые в светодиодах Phenix, производятся по запатентованной технологии с соблюдением законодательства об авторских правах. Светодиоды Phenix обеспечивают световой поток порядка 100 лм при токе 350 мА (бин U1: 87,4…99,6 лм; бин U2: 99,6…113,6 лм). Prolight Opto www.prolightopto.com Дополнительная информация: см. «Политекс», ООО Новое оптореле с изоляцией 5000 В для измерительной и медицинской техники от Clare Компания Clare, входящая в состав корпорации IXYS, анонсировала выпуск 4-выводного оптореле с барьером изоляции 5000 В в конфигурации 1-Form-A (одна группа, нормально разомкнутая). Оптореле CPC1394G обеспечивает величину блокирующего напряжения 600 В и максимальный ток 120 мА при сопротивлении в открытом состоянии 35 Ом. Новое 4-выводное реле доступно в корпусах типа DIP и для поверхностного монтажа. CPC1394 ориентировано на применение в измерительной и медицинской технике, где предъявляются высокие требования к надежности и к большему времени эксплуатации оборудования, что обеспечивается технологическими преимуществами и опытом производства компании Clare. Кроме того, данное реле рекомендуется для применения в зарядных устройствах и источниках питания мощностью до 5 Вт для отключения выпрямленного

электронные компоненты №12 2009

высокого напряжения и сокращения тока потребления в режиме ожидания. Clare Inc. www.clare.com Дополнительная информация: см. «МТ-Cистем», ООО

СВЧ Новый CВЧ-делитель частоты в диапазоне 4…18 ГГц от Analog Devices Компания Analog Devices представила новый СВЧ-делитель частоты. Микросхема ADF5001 представляет собой малошумящий СВЧ-делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления 4 в диапазоне рабочих частот от 4 до 18 ГГц. На входе делителя имеется разделительный конденсатор 3 пФ и согласующий резистор 50 Ом. Микросхема имеет дифференциальный выход с нагрузочными резисторами 100 Ом и разделительными конденсаторами 1 пФ. Это позволяет подключать его к дифференциальным входам синтезатора с ФАПЧ, например ADF4156 или ADF4106. Напряжение питания составляет 3,3 В, а ток потребления 26 мА.

SDA-2000

DC…22 ГГц

SDA-3000

DC…24 ГГц

17,1

SDA-4000

DC…26 ГГц

SDA-5000

DC…35 ГГц

SDA-6000

DC…50 ГГц

SDA-7000

DC…40 ГГц

2,1

160

6,5

8,5

3,7

200

6,5

Рекомендуемые применения: – – – –

RF Microdevices www.rfmd.com Дополнительная информация: см. «Макро Групп», ЗАО

129226, Москва, пр-т Мира, д.125 Тел.: +7 (499) 181-26-04 , 181-19-20 Факс: +7 (499) 181-05-22, 950-87-53 alecsan@aeip.ru www.aeip.ru

«Компэл»», ЗАО

115114, Москва, ул. Дербеневская, д.1, под. 28, офис 202 Тел.: +7 (495) 995-09-01 Факс: +7 (495) 995-09-02 msk@compel.ru www.compel.ru 196105, С.-Петербург, ул. Свеаборгская, 12 Тел.: +7 (812) 370-6070 Факс: +7 (812) 370-5030 sales@macrogroup.ru, support@macrogroup.ru www.macrogroup.ru

«МТ-систем», ООО

198099, С.-Петербург, ул. Калинина, д. 13 Тел.: +7 (812) 325-36-85, 786-98-70 Факс: +7 (812) 786-85-79 micro@mtgroup.ru www.mt-system.ru

IP3 (на центр. частоте), дБ

P1 (на центр. частоте), дБ

DC…20 ГГц

WWW.ELCP.RU

Коэффициент шума (на центр. частоте), дБ Рабочий ток, мА Напряжение питания, В

Коэффициент усиления(на центр. частоте), дБ

SDA-1000

Частотный диапазон

Наименование микросхемы

«Макро Групп», ЗАО

Сверхширокополосные усилители серии SDA от RF Microdevices Компания RF Microdevices официально объявляет о начале серийного производства сверхширокополосных GaAs-усилителей серии SDA-X0000. Микросхемы поставляются в виде бескорпусных кристаллов размером 3,1×1,45 мм. Выпуск усилителей SDA положил начало производству целой серии распределенных усилителей (усилителей бегущей волны), которую в компании RF Microdevices намерены развивать в ближайшие годы. Основным аргументом, побудившим RFMD начать разработку данных устройств, послужило не только наличие аналогичных предложений на рынке от других производителей, но и тенденция увеличения спроса на усилители с частотным диапазоном от DC до 40…50 ГГц. Основные характеристики микросхем SDA приведены в таблице.

3,5

300

радарная техника; широкополосная связь «точка-точка»; метрологическое оборудование и измерительная техника; космическая техника связи.

«Александер Электрик Источники Электропитания», ООО

Микросхема предназначена для работы в качестве предделителя частоты с синтезаторами ФАПЧ в измерительном и РЧ-оборудовании. Краткие технические характеристики: – напряжение питания 3,3 В; – номинальный потребляемый ток 26 мА; – диапазон входных частот 4…18 ГГц; – коэффициент деления частоты 4 (фиксированный); – номинальная входная мощность сигнала –10…10 дБм; – номинальная выходная мощность сигнала –5 дБм (на нагрузку 100 Ом); – фазовый шум –150 дБн/Гц; – диапазон рабочих температур –40…105°С; – тип корпуса 16-LFCSP. Analog Devices Inc. www.analog.com Дополнительная информация: см. «Элтех», ЗАО

400

«Политекс», ООО

123308, Москва, Хорошевское ш., 43-В Тел./факс: 8-800-333-01-73 box@radiodetali.com www.radiodetali.com

«РТСофт», ЗАО

105037, Москва, ул. Никитинская, д. 3 Тел.: +7 (495) 742-68-28, 967-15-05 Факс: +7 (495) 742-68-29 rtsoft@rtsoft.ru www.rtsoft.ru

«Элтех», ООО

198035, С.- Петербург, ул. Двинская, 10, к. 6А Тел.: +7 (812) 635-50-60 Факс: +7 (812) 635-50-70 info@eltech.spb.ru www.eltech.spb.ru

Microchip Technology Тел.: +7 (812) 325-5115 sale@gamma.spb.ru www.microchip.com

Содержание журнала «Электронные компоненты» за 2009 г.

Рынок №1, с. 8 Дистрибьюторы о кризисе

№12, с. 13 Владимир Кондратьев Тепловой расчет устройств силовой электроники

№2, с. 8 О рыночных трендах, и не только…

№4, с. 9 Форум «Новая электроника России» №4, с. 10 ARM-технология: опережать конкурентов №5, с. 8 Супермаркет фаундри-услуг №5, с. 9 Новый год для отрасли №6, с. 8 Время ответить на вызов №7, с. 8 Процессоры TI: несколько штрихов к портрету №8, с. 8 Выжить и сохранить коллектив №9, с. 8 Возможности роста рынка силовой электроники в ближайшем будущем №10, с. 7 RFMD. Приоритеты в России №10, с. 8 Силовая электроника — ключевая технология российской промышленности №11, с. 8 Нет КТЭО в своем Отечестве… №12, с. 8 Найти изюминку

РАЗРАБОТКА и КОНСТРУИРОВАНИЕ №3, с. 11 Джон Галлахер, Фусюэ Дзинь Бусинковый дроссель для регуляции напряжения питания процессора №4, с. 14 Жан-Клод Крыницкий Калибровочные центры повышают доверие к точности измерительного оборудования №4, с. 20 Шкафы компании Schroff для уличной установки обеспечивают надежную защиту и кондиционирование №5, с. 12 Кирби Крил Расчет трансформатора обратноходового преобразователя №8, с. 12 Геннадий Денисов Электромагнитные помехи №10, с. 11 Игорь Алексеев Некоторые методы ослабления шумов и электромагнитных помех

АНАЛОГОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ №3, с. 32 Геннадий Денисов Измерение слаботочных сигналов №3, с. 37 Вальтер Бачаровский Вопросы применения прецизионного компаратора №3, с. 41 Евгений Звонарев Микросхемы Texas Instruments для нормализации и усиления сигналов датчиков №8, с. 52 Олег Дворников, Виталий Гришков, Тимофей Натаров Проектирование аналоговых микросхем на МОПтранзисторах. Часть 1. Малосигнальная модель МОПтранзистора с источниками шумов №9, с. 53 Олег Дворников, Виталий Гришков, Тимофей Натаров Проектирование аналоговых микросхем на МОПтранзисторах. Часть 2. Выбор режима работы и размеров МОП-транзисторов №10, с. 50 Анатолий Белоус, Виталий Солодуха, Виталий Сокол, Валентин Сякерский Методы защиты от эффекта Миллера при схемотехническом проектировании биполярных микросхем №11, с. 57 Константин Староверов Компоненты Maxim для сигнальных цепей

АЦП и ЦАП №2, с. 12 Маитил Паччигар Методы сопряжения быстродействующих ОУ с АЦП №2, с. 17 Пол Маккормак Как спроектировать высококачественную систему сбора данных с помощью быстродействующих АЦП №2, с. 21 Валерий Скляр, Владимир Горохов, Юрий Борисов, Денис Горбунов, Сергей Битюцких Быстродействующие 14-разрядные ЦАП с токовым выходом серии 1273 №2, с. 26 Дэфид Роше Зачем нужен более современный ЦАП? №4, с. 39 Бонни Бейкер Время задержки аналого-цифрового преобразователя

электронные компоненты №12 2009

с о д е р ж а н и е ж у р н а л а з а 2 0 0 9 г.

№3, с. 8 Новая электроника России

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №2, с. 44 Янина Витакре FDMA с одной несущей — новый восходящий канал LTE

ГЕНЕРАТОРЫ И СИНТЕЗАТОРЫ СИГНАЛОВ №6, с. 51 Юрий Никитин, Сергей Дмитриев Новый радиочастотный синтезатор частот с дробным коэффициентом деления ADF4193

№2, с. 50 Владимир Нестеров Применение расширителей дальности CC2590-91 от компании Texas Instruments ДАТЧИКИ №3, с. 68 Александр Губа, Артур Керимов Цифровая шкала радиоприемного устройства с амплитудной модуляцией №10, с. 14 Галина Гайкович О возможностях использования беспроводных высокоскоростных сверхширокополосных аппаратнопрограммных систем для промышленной автоматики

№2, с. 65 Андрей Мамруков Микросхемы-датчики прикосновения OMRON BxTS №8, с. 76 Олег Вайнилович, Петр Гардей, Василий Кунцевич, Андрей Чернов Микросхема мультиплексора IZ320ROIC для тепловизионных камер

№10, с. 20 Рик Нельсон Выбор радиочастотного ключа — нелегкая задача

№12, с. 42 Стив Назири, Дэвид Сакс, Михаэль Майа Выбор и использование датчиков движения на основе МЭМС

№10, с. 24 Джим Дэвис Надежность и энергопотребление встраиваемых беспроводных приложений

№12, с. 45 Джон Остин, Эзана Хэйл Реализация функции термодатчика во встраиваемой системе

№10, с. 27 Ю Уилки Влияние канальных эффектов на характеристики систем MIMО

№12, с. 48 Брюс Лент Рекомендации по выбору акселерометра

№10, с. 31 Стив Петтис, Пит Зайсел Воспроизводимое измерение искажений, связанных с нелинейными свойствами широкополосных систем связи

№12, с. 51 Кирилл Тихомиров Дифференциальный датчик давления и потока воздуха №12, с. 53 Джафер Меджахед МЭМС-датчики движения от STMicroelectronics: акселерометры и гироскопы

№10, с. 34 Екатерина Самкова Как снизить потребление сети беспроводных датчиков №10, с. 36 Питер Фур Отслеживание ресурсов на предприятии

ВСТРАИВАЕМЫЕ СИСТЕМЫ №5, с. 16 Фози Беман Тенденции развития встраиваемых многоядерных СнК следующего поколения

с о д е р ж а н и е ж у р н а л а з а 2 0 0 9 г.

№5, с. 22 Виктор Ежов Построение промышленных систем управления на базе процессора Intel Atom №5, с. 28 Вэл Попеску, Гэри Гибсон Программная технология снижения потребляемой мощности встраиваемой системы №5, с. 32 Барри Дэгэн Гибридные теплоотводы для оптимального охлаждения во встраиваемых системах №11, с. 77 Арнольд Эстеп Проблемы совместимости — последнее препятствие на пути СОМ №11, с. 80 Джозеф Бехаммер Философия COMsistent: с технологией COM Express — в будущее!

WWW.ELCP.RU

ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ ПРИБОРЫ №9, с. 43 Майкл Бриер Силовые транзисторы на базе GaN: новая платформа для преобразователей напряжения №9, с. 49 Сампат Шекхават, Боб Броквэй Специфика применения IGBT-транзисторов в различных приложениях

ДИСПЛЕИ №1, с. 67 Алексей Власенко Контроллеры сенсорных экранов от Analog Devices №11, с. 38 Александр Самарин Перспективные дисплейные технологии №11, с. 46 Ольга Костина, Виктор Белецкий Рекомендации при выборе дисплеев для мобильной аппаратуры

ИЗМЕРИТЕЛЬ НЫЕ ПРИБОРЫ и СИСТЕМЫ №2, с. 71 Том Хилл Измерения характеристик современных РЛС с ЛЧМ №6, с. 57 Хелен Бёрни, Дж. О’Риордан Сканер импеданса для контроля свертывания крови

№8, с. 80 Колм Слеттери Высококачественный мониторинг линий электропередач с помощью многоканальных АЦП №12, с. 74 Алексей Игнатов Методы измерения шума в цифровых схемах

№3, с. 56 Джек Гэнссл Многоядерность: миф или реальность? №5, с. 34 Александр Квашин STM32F105/107 — новые линейки микроконтроллеров компании STMicroelectronics №6, с. 40 Технология nanoWatt компании Microchip

№8, с. 17 Том Ньютон Стандарт для силовых преобразователей задает направление развития поставщикам и OEMпроизводителям

№8, с. 62 Сергей Шумилин Характеристики производительности микроконтроллеров на базе ядра ARM Cortex-M3 №8, с. 65 Владимир Фомичев 16- и 32-разрядные МК: за и против

№8, с. 19 Александр Ишурин, Александр Кук Резонансный DC/DC-преобразователь большой мощности с широким диапазоном изменения нагрузки

№8, с. 67 Алеша Вранчич, Джеф Мейзел Выполнение высокопроизводительных вычислений на многоядерных процессорах в режиме реального времени

№8, с. 22 Джошуа Манделкорн Выбор входного конденсатора понижающего преобразователя

№8, с. 70 Большие частоты не означают более высокую производительность

№8, с. 24 Аджи Хари Пушпульный преобразователь. Еще один взгляд №8, с. 28 Сергей Кривандин, Евгений Звонарев Источники питания Mean Well: энергосбережение во время спада экономики 2009 г. №8, с. 33 Геннадий Сорокин, Иван Кузин, Михаил Кастров Транзисторные инверторы для электропитания средств связи

№7, с. 12 Павел Осипенко Одиночные сбои — вызов для современных процессоров №7, с. 16 Константин Бочаров Микропроцессор или DSP? А может, и тот, и другой? №7, с. 22 Игорь Шагурин ColdFire: перспективные решения для встраиваемых приложений

№8, с. 37 Алексей Власенко Analog Devices: новые компоненты для цепей питания

№7, с. 29 Владимир Егоров Многоядерные интегрированные сетевые процессоры высокой пропускной способности

№8, с. 40 Олег Сергеев Светодиодные источники питания Mean Well

№7, с. 35 Виктор Охрименко Процессоры ввода/вывода для систем хранения данных

№8, с. 44 Игорь Твердов, Сергей Затулин Модули защиты от помех

№7, с. 43 Константин Староверов Территория Cortex-M3: экспресс-портреты микроконтроллеров от разных производителей

№8, с. 47 Александр Райхман Обзор понижающих DC/DC-преобразователей компании STMicroelectronics

№7 с. 48 Семейства микроконтроллеров с ядром ARM (таблица)

№8, 49 Евгений Рабинович TDK-Lambda: особенности работы и применения источников питания HWS/HD №2, с. 56 Валерий Климов Характеристики современных ИБП с двойным преобразованием. Часть 4 №10, с. 72 Евгений Силкин Автономные инверторы напряжения с квазирезонансной коммутацией для систем промышленной автоматики, электротехнологий и связи

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ и DSP №1, с. 55 Павел Осипенко Эволюция и современное состояние архитектуры MIPS №3, с. 49 Кентон Уиллистон Виды тестов и их использование в разработке приложений

№7, с. 56 Александр Самарин Новое поколение 8-разрядных микроконтроллеров STM №7, с. 63 Владимир Бродин, Игорь Булатов, Александр Гурин, Петр Перевозчиков Микроконтроллерные модули с развитым интерфейсом «человек-машина» №9, с. 57 Леон Адамс, Эдриан Валенцуэла, Джефф Фэлин Как понизить энергопотребление процессорных систем №9, с. 61 Владимир Бродин Отечественные модули на микроконтроллерах PiccoloTM и DelfinoTM компании Texas Instruments №10, с. 63 Макс Домейка Оценка производительности многоядерных процессоров. Часть 1 №10, с. 67 Алексей Бумагин, Алексей Гондарь, Михаил Куляс, Александр Руткевич, Владимир Стешенко, Аль-Мехди Тайлеб, Григорий Шишкин Обзор современных самосинхронных микропроцессоров

электронные компоненты №12 2009

93 с о д е р ж а н и е ж у р н а л а з а 2 0 0 9 г.

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

№10, с. 70 Виктор Ежов Cortex-A9 MPCore: производительность настольного компьютера, энергопотребление мобильного устройства №11, с. 72 Макс Домейка Оценка производительности многоядерных процессоров. Часть 2 №11, с. 75 Роджер Ричи Управление 8- и 16-разрядными МК посредством интернета

МИКРОСХЕМЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ №2, с. 64 Дэвид Моррисон Микросхемы цифрового управления преобразованием энергии №5, с. 36 Андрей Агеноров, Валерий Ячменников Компоненты и решения «Компэл» для приложений силовой электроники и управления питанием

№11, с. 67 Андрей Никитин Современные высоковольтные драйверы MOSFET- и IGBTтранзисторов International Rectifier

МОБИЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА №2, с. 31 Екатерина Самкова Умные вещи №2, с. 33 Владимир Голышев Некоторые особенности выбора и эксплуатации аккумуляторных батарей №2, с. 38 Нарасимхан Венкатеш Передача голоса по сети Wi-Fi с помощью технологии Single Stream 802.11n

МУЛЬТИМЕДИА и ТЕЛЕКОМ

№5, с. 38 Ирина Ромадина Компания On Semiconductor: откуда, куда, зачем

№1, с. 59 Майкл Финнеран Вопросы качественной передачи голоса по IP-сетям: сжатие, задержка и эхо. Часть 2

№6, с. 11 Андрей Колпаков MiniSKiiP® IPM — новая архитектура интеллектуальных модулей средней мощности

№2, с. 53 Тим Симерли Транскодирование аудио- и видеоданных для бытовой электроники

№6, с. 15 Оптопары для поддержки мощных импульсных преобразователей с высокой скоростью переключения

№4, с. 22 Ник Гагвани Введение в видеоанализ

№6, с. 17 Пол Гринлэнд Разработка системы питания устройства с использованием POL-преобразователей

№4, с. 27 Екатерина Самкова Обработка видеосигнала высокой четкости

№6, с. 20 Мэтью Рено, Ивз Ганьон Импульсные бездроссельные стабилизаторы избавляют от необходимости использовать дорогостоящие внешние компоненты

№4, с. 30 Стефан Янцзы Проблемы проектирования телевизионных приемников №4, с. 34 Владимир Фомичев Зачем аудиосистемам нужны стандарты

№6, с. 25 Джон Беттен Накачка и сброс — больше энергии, чем вы ожидали! №6, с. 28 Цезаре Боккиола Оптимизация схемы повышающего преобразователя с коррекцией коэффициента мощности

с о д е р ж а н и е ж у р н а л а з а 2 0 0 9 г.

№6, с. 32 Арефин Мохаммед Развитая логика управления повышает эффективность возобновляемых источников энергии №6, с. 35 Владимир Бродин, Игорь Булатов Модуль TE-STM32F103 — встраиваемое решение на основе микроконтроллера с ядром Cortex-M3 №7, с. 68 Владимир Голышев Однокристальный POL-преобразователь TPS54620 для телекоммуникационных и вычислительных систем №8, с. 56 Ирина Ромадина Новые универсальные LDO-стабилизаторы компании ON Semiconductor №10, с. 77 Эффективный режим ЧИМ для 6-МГц импульсного понижающего преобразователя TPS62620

WWW.ELCP.RU

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ №9, с. 69 Александр Райхман Приборы защиты от перенапряжения компании STMicroelectronics

ПЛИС и СБИС №1, с. 14 Владимир Стешенко, Александр Руткевич, Екатерина Гладкова, Григорий Шишкин, Дмитрий Воронков Проектирование СБИС типа «система на кристалле». Маршрут проектирования. Синтез схемы. Часть 1 №1, с. 22 Игорь Шагурин, Владимир Канышев, Андрей Родионов Применение IP-библиотек для проектирования СнК №1, с. 26 Сергей Крутчинский Современная микросхемотехника и конкурентоспособность отечественных аналоговых ИС и смешанных СФ-блоков

№1, с. 33 Александр Мальцев, Роман Масленников, Алексей Хоряев, Артем Ломаев, Алексей Севастьянов Разработка блоков СнК для современных систем беспроводной связи №1, с. 37 Игорь Шагурин Системы на кристалле — особенности реализации и перспективы применения №1, с. 40 Сейи Верма Как объективно оценить параметры FPGA разных производителей? №1, с. 45 Как снизить потребляемую мощность при разработке высокопроизводительных ASIC и СнК? №3, с. 61 Владимир Стешенко, Александр Руткевич, Екатерина Гладкова, Григорий Шишкин, Алексей Бумагин, Алексей Гондарь Проектирование СБИС типа СнК. Маршрут проектирования. Топологическое проектирование. Синхронизация и тактовые деревья. Часть 2 №8, с. 73 Екатерина Самкова Stratix IV против Virtex-5. Точка не поставлена №9, с. 65 Алексей Бумагин, Алексей Гондарь, Михаил Куляс, Александр Руткевич, Владимир Стешенко, Али-Мехди Тайлеб, Григорий Шишкин Самосинхронные схемы. Принципы построения и элементная база

ПОСЛЕ РАБОТЫ

№3, с. 22 Шон Трэн, Бен Кропф Проектирование светодиодных систем белого и цветного освещения №3, с. 29 Дэвид Кэри Белый свет в «зеленом» мире №5, с. 41 Генрих Сарычев, Евгений Мудрак, Илья Рахманчик Перспективы развития световых приборов на базе светоизлучательных диодов №6, с. 42 Виктор Ежов Стандартизация и расчет тепловых характеристик мощных светодиодов №6, с. 49 Иван Сыроваткин Мощные светодиоды High Power Lighting №7, с. 75 Максим Селиванов Светодиодные драйверы ADDtek №10, с. 40 Александр Григорьев Решения компании NXP для энергосберегающих систем освещения №10, с. 45 Антон Булдыгин Мощные светодиодные приборы №12, с. 68 Ирина Ромадина Драйверы для светодиодных источников света от компании ON Semiconductor

№9, с. 73 От редакции

№9, с. 76 Кристиан Тавернье Десульфатация пластин аккумулятора №10, с. 86 Семен Галкин Двухканальный усилитель мощности звуковых частот класса D №10, с. 88 Юрген Штанидер Нетускнеющий светодиодный фонарь №11, с. 88 Александр Каменский Двухдиапазонный частотомер №11, с. 91 Тон Гисбертс Карманный усилитель звука №12, с. 82 Тейс Бэкерс Улучшение характеристик усилителей класса D №12, с. 84 Юрий Садиков Светодиодные лампы как альтернатива галогенным лампам

СВЕТОТЕХНИКА и ОПТОЭЛЕКТРОНИКА №3, с. 15 Михаил Гладштейн Интеллектуальные системы управления электрическим освещением

СВЧ №8, с. 75 Валентин Кулешов Оптоэлектронные СВЧ-генераторы с рекордно низкими фазовыми шумами

СЕТИ и ИНТЕРФЕЙСЫ №1, с. 48 Галина Гайкович Стандартизация в области промышленных сетей. Развитие беспроводных стандартов для АСУ ТП №3, с. 71 Ник ван Дирдонк Сетевые стандарты беспроводных систем с малым энергопотреблением №4, с. 36 Виктор Ежов Mobile IP: эффективное решение для мобильного интернета №7, с. 71 Ирина Ромадина Модем для передачи данных по силовым линиям AMIS-49587 №9, с. 11 Виктор Ежов Интерфейсы HDMI и DisplayPort: вопросы проектирования и тестирования. Часть 1 №9, с. 17 Мори Вуд JEDEC JESD204A: передача нескольких потоков по одной линии связи

электронные компоненты №12 2009

95 с о д е р ж а н и е ж у р н а л а з а 2 0 0 9 г.

№9, с. 74 Александр Квашин GSM-интеллектуальное управляющее охранное устройство ВМ8039

№9, с. 21 Екатерина Самкова Способы сохранения целостности сигнала на высоких частотах

№10, с. 81 Майк Пенг Ли Джиттер, шум и целостность сигнала в высокоскоростных системах коммуникации

№9, с. 25 Слободан Мильевич Технология синхронизации Ethernet-сети

№12, с. 76 Виктор Александров Базовые принципы построения ВЧ-тракта приемника беспроводной системы связи

№9, с. 30 Кларк Киннэйрд Выбор оптимального соотношения между скоростью передачи сигнала по CAN-протоколу и длиной кабеля №9, с. 34 Джеко Уилбринк Реализация High-speed USB на ядре Cortex-M3 №9, с. 37 Тимоти Канг Как повысить скорость обмена по High-speed USB №9, с. 39 Альфредо Сааб, Шаста Томас Изолированный цифровой интерфейс для приемников и передатчиков токовой петли 4...20 мА №10, с. 54 Виктор Ежов Интерфейсы HDMI и DisplayPort: вопросы проектирования и тестирования. Часть 2 №10, с. 58 Виктор Охрименко PLC-технологии. Часть 1

ЭЛЕКТРОПРИВОД №11, с. 13 Станислав Флоренцев, Дмитрий Изосимов Тяговый электропривод в гибридных транспортных средствах. Часть 1. Идеология проектирования КТЭО №11, с. 19 Кедар Годбоул Управление ориентацией поля в электроприводах №11, с. 23 Виктор Александров КПД электродвигателя и коррекция коэффициента мощности №11, с. 28 Виктор Ежов Применение FPGA в промышленных системах управления электроприводом

№11, с. 50 Виктор Охрименко PLC-технологии. Часть 2

№11, с. 32 Ирина Ромадина Семейство драйверов шаговых двигателей AMIS-30xxx от ON Semiconductor

№11, с. 54 Кристофер Гобок Усовершенствованный стандарт электропитания через Ethernet — PoE+

№12, с. 64 Станислав Флоренцев, Дмитрий Изосимов Тяговый электропривод в гибридных транспортных средствах. Идеология проектирования КТЭО. Часть 2

№12, с. 58 Виктор Охрименко PLC-технологии. Часть 3 ЭНЕРГОСБЕРЕЖНИЕ СИЛОВЫЕ ДИСКРЕТНЫЕ КОМПОНЕНТЫ №11, с. 63 Абдус Саттар, Кен-Вук Сёк Новое семейство силовых P-канальных МОП-транзисторов

СТАНДАРТНЫЕ ЦИФРОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ и ПАМЯТЬ

с о д е р ж а н и е ж у р н а л а з а 2 0 0 9 г.

№2, с. 68 Виджай Девадига NAND или NOR… Какую флэш-память выбрать для проекта? №11, с. 83 Джафер Меджахед Микросхемы NVRAM серий TimeKeeper и ZeroPower компании STMicroelectronics

ТЕОРИЯ и ПРАКТИКА №3, с. 84 Иван Самков Основы теории демодулирующих логарифмических усилителей №6, с. 59 Екатерина Самкова Увеличение ресурсов сети №8, с. 83 Стивен Смит Форматы сжатия данных

WWW.ELCP.RU

№1, с. 63 Джон Диксон Выбор процессора с низким энергопотреблением №3, с. 74 Дэвид Кац, Рик Джентайл Введение в проектирование систем с пониженным энергопотреблением №3, с. 78 Трэвор Смит Измерения и анализ характеристик источников питания с помощью осциллографов Tektronix серий MSO/DPO №12, с. 20 Дэвид Кац, Рик Джентайл Введение в проектирование маломощных схем №12, с. 23 Виктор Ежов Пути снижения энергопотребления во встраиваемых приложениях на базе DSP и FPGA №12, с. 30 Игорь Алексеев Технологии силовой электроники для снижения энергопотребления №12, с. 32 Эдриан Валенцуэла Аккумуляция энергии без использования батарей во встраиваемых системах №12, с. 36 Сергей Кривандин, Андрей Конопельченко DC/DC-преобразователи PEAK для экономичных портативных приборов