ETNdigi 1-2021

PIIKARBIDI VALTAA TEHOSOVELLUKSIA

1/2021

Näin suojaat laitteesi JÄNNITEVAURIOLTA Yksi ja sama HILAOHJAIN TEHOKYTKIMILLE ÄLYKÄS RATKAISU elektroniikan suojaamiseen 1200 WATTIA vaativiin kohteisiin TEHOKYTKIMET vertailussa SIMO TUO LISÄÄ TOIMINTA-AIKAA

SiC ja GaN TUOVAT TEHOA MUUNNOKSIIN TEHOLÄHTEEN SÄÄTÖPIIRI VAKAAKSI OSKILLOSKOOPILLA

NÄIN VALITSET UPS-LAITTEEN OIKEIN

MATERIAALIT - PIIRIT - KYTKIMET - OHJAIMET - SUOJAUS - SUUNNITTELU

Survive an Avalanche with Microchip SiC Unrivaled Ruggedness and Stability

Big power conversion can mean big failures. Can your power semiconductors survive?

Your customers demand they do. With unrivaled ruggedness and long-term reliability, Microchip’s SiC MOSFETs are the right choice for a safe, confident commitment to SiC technology.

Beyond parametric stability, Microchip’s SiC MOSFET products have the resilience to safely ride through shortcircuit and avalanche breakdown events, keeping your mission-critical power systems operating as designed.

To streamline your SiC design process, we offer total system solutions that integrate our SiC MOSFETs with advanced power packaging and digital programmable gate drivers. And, as always, our products are backed by our world-class technical support, reliable supply chain, and customer-driven obsolescence policy.

Built to survive your most demanding applications, Microchip offers the industry’s most dependable and rugged SiC MOSFETs, whether in discrete or power module format. Design with Microchip SiC. Design with confidence.

Key Features • A high-integrity gate oxide gives you a stable threshold voltage, safe from failure for more than 100 years—even at elevated temperatures.

• The body diode of our SiC MOSFETs are degradation-free, giving you a fixed design window and eliminating the costly safeguard of an antiparallel diode.

• The on-state resistance of Microchip’s SiC MOSFETs has the industry’s lowest sensitivity to temperature, further tightening your design and optimizing your cost.

microchip.com/sic

Page 2

The Microchip name and logo and the Microchip logo are registered trademarks of Microchip Technology Incorporated in the U.S.A. and other countries. All other trademarks are the property of their registered owners. © 2021 Microchip Technology Inc. All rights reserved.

DS20006490A. MEC2368A-ENG-02-21

ETNdigi - 1/2021

1960-1980-luvuilla silloinen Neuvostoliitto lähetti Venera-projektissa useita luotaimia Venuksen pinnalle.

Pisimpään vihamielisen planeetan pinnalla toimi Venera 13, joka onnistui lähettämään dataa maahan 2 tunnin ja 7 minuutin ajan. Sen jälkeen elektroniikka hajosi. Piipohjaisilla piireillä Venukseen ei ole asiaa.

Onneksi apuun tulee jo 1800-luvun puolella keksitty yhdiste, jossa sekoitetaan 1:1-suhteessa piitä ja hiiltä.

Tarkoitus oli tuolloin valmistaa timantti, mutta nyt yhdiste tunnetaan kaupallisiin tehoelektroniikan sovelluksiin vahvasti tulevana piikarbidina. Sen avulla ihminen saattaa pystyä tutkimaan Venuksen pintaa vähän pidempään.

IEEE Spectrumissa huhtikuun lopullla julkaistussa artikkelissa kerrotaan SiCpohjaisista piireistä, joiden avulla voisimme "lähettää radion helvettiin".

Artikkelissa muistutetaan, että Venuksen pinnalla on keskimäärin 464 celsiusasteen lämpötila. NASAn Glenntutkimuskeskuksessa on käytetty SiCpiirejä yli vuoden ajan 500 celsiuksen lämpötilassa ja piirit toimivat moitteetta.

Piikarbidi sopii hienosti esimerkiksi aurinkokennojen inverttereihin ja teollisuuden lämpimiin koneisiin, mutta Venus-matkailun kannalta todellinen testi on kehittää SiC-alustalle aktiivisia komponentteja, joilla ohjataan mönkijöitä ja ajetaan tietoliikenneyhteyksiä.

Arkansasin yliopistossa on kehitetty Vulcan II -piiri, joka koostuu täysin SiCpohjaisista komponenteista. Piirillä on rengasoskillaattori, 8-bittinen ADmuunnin, 4-bittinen muunnin, RS 485 vastaanotin ja muita komponentteja.

Kaikkiaan 500 asteessa on testattu yli 40 erilaista komponenttia.

SiC-piirejä kehitetään lähempänäkin, esimerkiksi Tukholman kuninkaallisessa teknillisessä korkeakoulussa. Tutkijoiden mukaan SiC saattaa avata tietä uusiin sovelluksiin, joita emme osaa vielä edes kuvitella.

-Veijo Ojanperä ETN, päätoimittaja

ETNdigi päätoimittaja Veijo Ojanperä vo@etn.fi +358-407072530 myyntipäällikkö Anne-Charlotte Sparrvik +46-734171099 ac@etn.fi Ilmoitushinnat: etn.fi/advertise ETNdigi on ETN:n digitaalinen erikoislehti. Lehti julkaistaan 2.3 kertaa vuodessa eri teemoihin keskittyen.

ETN (www.etn.fi) on suomalainen elektroniikan, tietoliikenteen, nanotekniikan ja muun huipputekniikan päivittäinen uutispalvelu. Sivustoltamme löytyy uutisten lisäksi yritysten kanssa yhteistyössä toteutettuja teknisiä artikkeleita.

ETN järjestää vuosittain Suomen ainoan itsenäisen sulautetun tekniikan konferenssin.

Koronavuoden jälkeen Embedded Conference Finland eli ECF21 järjestetään lokakuun 21. päivä.

Lisätietoa löytyy osoitteesta www.embeddedconference.fi Helpoin tapa päästä mukaan uutis- ja tapahtumavirtaan on tilata ilmainen uutiskirjeemme osoitteessa at etn.fi/tilaa.

Kannen kuvat: ROHM, Microchip, Maxim

ETNdigi - 1/2021

Page 3

Embedded Conference Finland will be organised for the 4th time on the 21st of October, 2021.

Last time, before the pandemic we had more than 250 attendees enjoying a very strong technical program. You can find the ECF19 presentations on the event website at embeddedconference.fi.

The keynotes and a selection of presentations can also be seen as video on the ETNtv Youtube channel.

All vital information will be posted on the event website.

As before, attending the conference will be free of charge.

The registration for ECF21 will be opened during summer 2021.

For more information see

www.embeddedconference.fi To book a table top or ask for sponsor packages please contact ETN editor-in-chief Veijo Ojanperä vo@etn.fi +358-407072530 or Sales Manager Anne-Charlotte Sparrvik ac@etn.fi +46-734171099

Page 4

ETNdigi - 1/2021

SISÄLTÖ 1/2021

6-13 15-17 18

UUTISET • Avoin O-RAN mullistaa verkkomarkkinat • Nanotransistori pysyy viileänä korkeissa jännitteissä • Kolumni: Minima Processor pidentää korvanapin käyttöaikaa POLTTOPISTEESSÄ • Virta datan mukana • Tehosuunnittelua helposti ja nopeasti PIIKARBIDI VALTAA TEHOSOVELLUKSIA Piikarbidiin avulla voidaan maksimoida nykyisten tehojärjestelmien hyötysuhde.

22

NÄIN SUOJAAT LATTEESI JÄNNITEVAURIOILTA Jo sadan voltin purkaus riittää aiheuttamaan merkittäviä vahinkoja erittäin herkille mikropiireille.

26

YKSI JA SAMA HILAOHJAIN TEHOKYTKIMILLE Tehojärjestelmien uusimmat kehitystrendit vaativat entistä korkeampia jännite- ja hyötysuhdelukemia.

30 38 42

.ÄLYKÄS RATKAISU ELEKTRONIIKAN SUOJAAMISEEN Surge stopper -piirit ovat älykäs tapa suojata komponentit.

46 50

SIMO TUO LISÄÄ TOIMINTA-AIKAA SIMO-arkkitehtuuri auttaa kutistamaan älykellon vaatiman tehonsyötön.

54

LAAJAN KAISTAERON TEHOKYTKIMET VERTAILUSSA Future Electronics vertaili GaN- tai SiC-komponenttien etuja eri sovelluksissa.

58 60

NÄIN VALITSET UPS-LAITTEEN OIKEIN Millainen häiriöttömän sähkönsyötön järjestelmä sopii juuri sinulle?

ETNdigi - 1/2021

TEHOA MUUNNOKSIIN Piikarbidi ja galliumnitridi parantavat tehonmuunnoksen hyötysuhdetta.

1200 WATTIA VAATIVIIN KOHTEISIIN RECOM on esitellyt 1,2 kilowatin teholähteen teollisuuden ja lääketieteen sovelluksiin.

TEHOLÄHTEEN SÄÄTÖPIIRI VAKAAKSI SKOOPILLA Teholähteen suunnittelussa yksi tärkeimmistä tehtävistä on säätöpiirin stabiloiminen. Se onnistuu nyt oskilloskoopilla.

CDC-ANALYYSI MUKAAN SUUNNITTELUUN Uusilla työkaluilla voidaan varmentaa, että suunnittelu toimii oikein myös jännitealueiden rajoja ylitettäessä.

Page 5

UUTISET

O-RAN MULLISTAA VERKKOMARKKIN Yhdeksän kuukautta Nokian johdossa ollut Pekka Lundmark on jo sanonut, että vanha tapa toimittaa koko verkko operaattorille on tullut tiensä päähän. Markkina on muuttumassa merkittävästi.

Tällä hetkellä kohutaan eniten kirjainyhdistelmästä O-RAN. Avoimilta radioverkoilta odotetaan paljon.

ETN osallistui maaliskuussa Analog Devicesin järjestämään webinaariin, jossa Open RAN -yhteenliittymä esitteli tämän hetken tilannettaan ja tekniikan lähitulevaisuuden haasteita. Tilaisuudessa olivat mukana ADI:n langattoman tietoliikenteen liiketoiminnasta vastaava Joe Barry, Vodafonen verkkosuunnittelun johtaja Paco Martin, Facebook Connectivityn johtaja Jaydeep Ranade ja Marvellin prosessorikehitystä johtava Raj Singh.

Vodafonen Martin kertoi, että operaattorilla on Iso-Britanniassa jo kentällä testikäytössä 2600 O-RANtukiasemaa, joten kyse on nopeasti yleistyvästä trendistä.

O-RAN-verkkojen eduksi nähdään ennen kaikkea se, että sen myötä verkkotekniikan innovaatiovauhti voi kasvaa.

ADI:n Joe Barryn mukaan 5G mahdollistaa monenlaisia uusia sovelluksia ja ORAN-arkkitehtuurin avulla näitä voidaan toteuttaa nopeammin.

Page 6

Facebookin Jaydeep Ranaden mukaan operaattorit hyötyvät siitä, ettei verkkoja enää ole lukittu yhden toimittajan laitteisiin tai ohjelmistoihin. - Virtualisoinnin kasvaessa operaattorit voivat nopeammin kehittää uusia rahavirtoja.

Marvellin Raj Singhin mukaan toimintojen virtualisointi johtaa myös haasteisiin esimerkiksi latenssin osalta. Fyysistä tasoa eli varsinaista radiota ei voida virtualisoida. – Jos halutaan pitää kiinni 5G:n yhden millisekunnin latenssilupauksesta radiosta radioon, fyysinen raja yhteyksille on 112 kilometriä, Singh muistutti.

Vodafonen Paco Martinin mukaan tässä on vielä yrityksille työsarkaa. – Esimerkiksi mMIMO-ratkaisuissa (massive MIMO) O-RAN ei vielä yllä dedikoitujen verkkoratkaisujen ja antennien tasolle.

Marvellin Singhin mukaan O-RANverkkojen pitää toteuttaa sama peitto,

sama suorituskyky ja samat toiminnot, joihin kuluttajat ovat tottuneet. Perinteisillä laitevalmistajille on takanaan 40 vuotta mobiilitekniikan tuotekehitystä ja palkkalistoillaan 15-20 tuhatta kehittäjää, eikä mikään O-RAN-ekosysteemiin kuuluva uusi verkkolaiteyritys pysty tähän tuotekehitysresurssiin vastaamaan.

Facebookin Ranade vaatikin, että ORAN-tekniikkaa kehitetään laajan yhteistyön kautta. – Tarvitaan standardeja ja sertifiointeja, jotta riittävän laaja valmistajien ekosysteemi rakentuu ja jotta idea plug-and-play -tyyppisistä komponenteista toteutuu.

Suomalaisia tietenkin kiinnostaa se, miten Nokia pärjää muuttuvilla markkinoilla. Nokian liikevaihdosta valtaosa tulee edelleen mobiiliverkoista.

Mutta entäpä tulevaisuudessa? Nokia on ollut aktiivinen jäsen O-RAN Alliancessa ja ainakin yhtiön mobiiliverkoista vastaava johtaja Tommi Uitto uskoo, että

ETNdigi - 1/2021

A AT

tämä osoittautuu tulevaisuudessa kilpailueduksi.

- Olemme täysin omistautuneet ORANiin. Yhteenliittymän 27 operaattorijäsenestä 23 on meidän asiakkaitamme.

Uskon, että voimme voittaa markkinoita olemalla mukana kehityksessä ja varmistamalla, että omat piirimme tukevat O-RAN-kehitystä, Uitto maalaili.

O-RANissa on kyse paitsi mobiiliverkon eri osien irrottamisesta toisistaan, niiden välisten rajapintojen avoimuudesta sekä ohjelmiston irrottamisesta raudasta.

– Ohjelmistojen osuus kasvaa koko ajan.

Radiota ei voi virtualisoida, mutta sofistikoitu keilanmuodostus (beamforming) tekee ohjelmistosta yhä tärkeämmän osan radiota, Uitto selvensi.

Heti tilaisuutensa jälkeen ADI esitteli ASIC-pohjaisen ratkaisun O-RANmääritysten kanssa yhteensopiville 5Gradioyksiköille. Alusta on tärkeä askel O-

ETNdigi - 1/2021

RAN-verkkojen kehityksessä.

Tähän asti iso osa O-RAN-laitteiden toiminnallisuutta on toteutettu FPGApiirein. Tämä on tarkoittanut, että tehonkulutuksen ja kustannusten osalta ratkaisut eivät ole olleet kilpailukykyisiä.

Erityisesti perinteisten valmistajien ASICtyyppisiin, sovelluskohtaisiin piireihin verrattuna ero on ollut iso.

ADI:n uusi radioalusta sisältää kaikki ORAN-yhteensopivan 5G-radioyksikön edellyttämät ydintoiminnot. Mukana on kantataajuuslaskennan ASIC-piiri, ohjelmistopohjaiset lähetinvastaanottimet, signaalinkäsittely ja tehonsyöttö.

Alusta on suunniteltu tuomaan O-RANradio-osaan lisää suorituskykyä samalla, kun laitteisto istutetaan pienempään kokoon ja sen tehonkulutusta pienennetään.

Suorituskyky on silti edelleen O-RANverkkojen akilleen kantapää. Sitä ei vielä

ADI:n uusi alusta vielä ratkaise. Yhtiön itsensä mukaan perinteiset laitevalmistajat toimittavat edelleen fyysiset radio/ antenniyksiköt verkkoihin. ADI:n mukaan toimittajien määrä kuitenkin kasvaa ORAN-tekniikan kypsyessä.

Esimerkiksi Ericsson toimittaa jo aktiiviantenneja joissa on 64 antennia sekä lähetykseen että vastaanottoon.

Tähän 64T64R-kapasiteettiin Analog Devicesinkaan uusi alusta ei yllä. Uudella radioalustalla voidaan toimittaa makro- ja piensolujen tukiasemiin tukiasemia, joissa on 8 tai vähemmän lähetys/ vastaanotto-antenneja. Myöhemmin tänä vuonna tulossa on ratkaisuja, joissa antenneja on enemmän, yhtiöstä muotoiltiin.

Lyhyesti sanottuna Nokia ja Ericsson ovat vielä edellä mMIMO-tekniikan kehityksessä, mutta asemansa säilyttääkseen niiden tuotekehityksen pitää paiskia melkoisesti töitä.

Page 7

UUTISET

TEHOKAS PERVSKIITTIKALVO YLTÄÄ 18,6 PROSENTTIIN Haagissa toimiva TNO-tutkimujärjestö, tutkimuskeskus IMEC ja Eindhovenin teknillinen yliopisto ovat yhteisen Solliancehankkeensa projektissa valmistaneet maailman tehokkaimman aurinkoenergiaa sähköksi muuttavan perovskiittikalvon.

Kalvon hyötysuhde on 18,6 prosenttia.

Lue lisää etn.fi/12071.

Nanotransistori pysyy viileänä korkeissa jännitteissä

PIIKARBIDI TULEE AURINKOKENNOFARMEILLE Aurinkokennofarmien tehoa nostetaan nyt piikarbidilla. Sen avulla voidaan pienentää kennoston jäähdytysjärjestelmää ja alentaa järjestelmän kokonaiskustannuksia. Yksi tärkeä uusi trendi on nostaa invertteriin syötettävän virran jännitettä 1100 voltista 1500 volttiin, kuten ON Semiconductorin tuotemarkkinointi-insinööri Ali Husain kertoo blogissaan. Lue lisää etn.fi/12069.

AKUN ELEKTRODIT VOIDAAN KIERRÄTTÄÄ Aalto-yliopiston tutkijat ovat keksineet, että litiumioniakkujen kobolttia sisältävät elektrodit voidaan käyttää sellaisinaan uudelleen, kun ne kyllästetään uudelleen litiumilla. Näin säästetään kallisarvoisia raaka-aineita ja todennäköisesti myös energiaa verrattuna perinteiseen kierrätykseen, jossa murskatuista akuista erotellaan metallit sulatuksella tai liuotuksella. Tutkimuksen mukaan uudelleen litiumilla kyllästetyn elektrodin suorituskyky oli lähes yhtä hyvä kuin uudella. Lue lisää etn.fi/12046.

JARRUTUSENERGIAN VOI SYÖTTÄÄ TAKAISIN VERKKOON Schneider Electric on kehittänyt taajuusmuuttajien lisälaitteen, jonka avulla jarrutusenergia voidaan kerätä talteen ja syöttää takaisin sähköverkkoon. ATVRegenyksikkö sopii käytettäväksi sovelluksissa, joissa on pysty- tai vaakaliikkeitä. Se voidaan liittää Schneider Electricin vakiotaajuusmuuttajaan (ATV900/340) tai olemassa oleviin järjestelmiin ilman, että joudutaan vaihtamaan olemassa olevaa taajuusmuuttajaa.

Lue lisää etn.fi/12045.

Page 8

Lausannen polyteknisessä korkeakoulussa on kehitetty galliumnitridipohjainen nanotransistori, joka lupaa paljon tulevalta tehoelektroniikalta. Transistori pystyy käsittelemään jopa 1300 voltin jännitteitä, mutta pysymään silti viileänä.

Kaiken elektroniikan keskiössä ovat muunninpiirit. Niiden avulla voimme kytkeä tietokoneemme, lamput ja televisiot verkkovirtaan ja käynnistää ne nopeasti. Muuntimet muuntavat pistorasioista tulevan vaihtovirran elektroniikan tarvitsemaksi tasavirraksi. Ikävä kyllä jopa 20 prosenttia energiasta katoaa prosessissa taivaan tuuliin lämpönä.

EPFL:n tutkijat lähtivät ratkaisemaan ongelmaa kutistamalla tehotransistorin pienemmäksi.

Tämän sekä GaN-materiaalin käyttämisen myötä muunnosprosessin aikana menetetään paljon vähemmän lämpöä, joten transistorit soveltuvat erityisen hyvin suuritehoisiin sovelluksiin, kuten sähköajoneuvoihin ja aurinkopaneeleihin.

Muuntimien lämmöntuotto johtuu muun muassa korkeasta sähkövastuksesta, mikä on suurin ongelma elektroniikkalaitteissa.

- Näemme esimerkkejä sähkötehohäviöistä joka päivä, esimerkiksi kun

kannettavan tietokoneen laturi lämpenee, kertoo EPFL:n POWERlabin johtaja Elison Matioli.

Matioli on yhdessä tiiminsä kanssa kehittänyt transistorin, joka voi vähentää huomattavasti vastusta ja vähentää lämmöntuottoa suuritehoisissa järjestelmissä. Tarkemmin sanottuna uuden nanotransistorin resistanssi on alle puolet perinteisen transistorin lukemista, vaikka sillä voidaan ajaa yli kilovoltin jännitteitä.

Transistorin tekniikka sisältää kaksi keskeistä innovaatiota. Ensinnäkin komponenttiin on rakennettu useita kanavia virran jakamiseksi. Tämä rakenne jakaa virran virtauksen vähentäen vastusta ja ylikuumenemista. Toinen innovaatio koskee galliumnitridistä valmistettujen nanojohtojen käyttöä. Nanolankoja käytetään jo pienitehoisissa siruissa, kuten älypuhelimissa ja läppäreissä.

GaN-nanolankoja ei kuitenkaan ole käytetty suurjännitesovelluksissa.

Matiolin tutkimustiimi kehitti GaNnanojohdot, joiden halkaisija on 15 nanometriä. Myös niiden suppilomainen rakenne on ainutlaatuinen ja sen ansiosta ne pystyvät tukemaan korkeita sähkökenttiä ja yli 1000 voltin jännitteitä hajoamatta.

ETNdigi - 1/2021

Joustavaa hallintaa akustoon Sähköauton akuston tilaa täytyy valvoa jatkuvasti. Jaetun akunhallintajärjestelmän voi toteuttaa Trackwisen taipuisilla IHT-piirilevyillä. Se säästää sekä järjestelmän painoa että kustannuksia.

Sähköajoneuvon akkujen kehittäminen ei ole triviaali tehtävä. Teho- ja jännitetasot, jotka tarvitaan riittävän energian tuottamiseen jatkuvaan vetoon, edellyttävät akuston, jossa on merkittävä tehotiheys. Lisäksi akkujen on oltava mahdollisimman pieniä, koska tilasta on aina pulaa. Esimerkiksi Tesla S:n 85 kilowattitunnin akusto sisältää 16 moduulia, joista jokaisessa on 404 sylinterimäistä 18650-kennoa. Useiden moduulien välinen liitäntä muodostaa akuston.

Akuilla on erityiset kemiansa, jotka saattavat vaihdella hieman kennosta toiseen. Suurimman hyödyn saaminen kennoista ja siten koko moduulista tai akustosta vaatii yksityiskohtaista valvontaa akunhallintajärjestelmällä (BMS, battery management system).

BMS-järjestelmä tarkistaa jatkuvasti parametrit, kuten lataustilan, akuston kunnon, toimintatilan, lämpötilan ja jännitteen.

Kuormituksen tasapainottamisessa otetaan huomioon yksittäisten kennojen tehokkuus akuston ja moduulien toiminnan suhteen. Turvallisuusominaisuudet on myös sisällytettävä mukaan, jotta yksittäiset kennot voidaan poistaa piiristä, mikäli niissä on vioittumisen merkkejä tai heikko suorituskyky.

Kennojen kutistaminen, niihin liittyvien BMS-antureiden integroiminen kuhunkin kennoon ja johdotus yhteen muodostavat monenlaisia haasteita.

Kuinka ensinnäkin johdottaa satoja kennoja yhteen tehokkaasti ja aikaa säästäen? Käytetyn mekanismin on myös eristettävä kennot päätteet turvallisesti toisistaan ja ympäröivästä kotelosta. Toiseksi pariston eristys- ja valvontatunnistimet on sijoitettava lähelle kutakin kennoa. Anturilähdöt voidaan syöttää keskeiseen BMS:een.

Tämä tarkoittaa kuitenkin enemmän liitäntöjä kennojen, moduulien ja akustojen välillä.

Tässä suosiotaan kasvattaa jaetun BMS-lähestymistapa, jossa kukin anturi

ja valvontakomponentit sekä niihin liittyvät ohjauslogiikat sisältyvät paikallisesti kennoihin. Tämä menetelmä kuitenkin asettaa rajoituksia kennojen yhdistämisessä käytetyille automatisoiduille tuotantotekniikoille.

Liitäntäratkaisu, joka täyttää tilankäytön ja painon vaatimukset ja mahdollistaa samalla hajautetun BMS-menetelmän, perustuu pituudeltaan rajoittamattomiin joustaviin piirilevyihin, kuten Trackwisen IHT-tekniikkaan eli paranneltuun johdinsarjojen tekniikkaan.

Kennon jännitteen, virran ja lämpötilan mittauskomponentit voidaan asentaa joustavaan piiriin päätteen läheisyydessä. Turvallisuus-ominaisuudet, mukaan lukien kennojen eristäminen, voidaan myös sisällyttää tähän lähestymistapaan. Kennoston tasolla voidaan käyttää samankaltaisia tekniikoita moduulien valvonnan, eristämisen ja ohjauksen komponenttien sijoittamiseen.

Suositun 32-bittisen tehonkulutus alas STMicroelectonics on esitellyt erittäin vähävirtaisen 32bittisen ohjainperheen.

STM32U5-piireissä yhtiö on onnistunut kutistamaan ohjaimen tehonkulutusta peräti 90 prosenttia aiempaan verrattuna.

kerätty.

Säästö perustuu LPBAM-tekniikkaan (low-power background autonomous mode), jossa ohjain pystyy keräämään esimerkiksi oheislaitteiden syötteitä – vaikkapa anturidataa – ilman, että

STMicroelectronicsilla mikro-ohjainten markkinoinnista vastaava Yvon Gourdonin mukaan haastavinta LPBAMtekniikan kehittämisessä oli saada oheislaitteet toimimaan autonomisesti.

ETNdigi - 1/2021

Cortex-M33-ydintä tarvitsee herättää. Ohjain voidaan ohjelmoida esimerkiksi niin, että ydin herätetään vasta, kun tietty määrä anturisignaaleja on

Toinen tärkeä projekti oli työkalujen kehittäminen niin, että toiminnon ohjelmointi olisi helppokäyttöistä graafisessa STM32 Cube -ympäristössä.

STM32U5-piirit noteeraavat esimerkiksi ULPMark-testissä tuloksen 535, mikä on yli kaksi kertaa parempi kuin kahden megatavun muistilla varustetun L4+ohjaimen tulos. Lisäksi U5-ohjaimet ovat markkinoiden ensimmäiset, jotka saavuttavat 3-tason suojauksen PSA:n luokittelussa.

Page 9

UUTISET

Rohde & Schwarz laajensi SMU-laitteisiin

Saksalainen Rohde & Schwarz on lisännyt valikoimaansa uuden tyyppisiä instrumentteja eli SMU-laitteita (source measure unit). Näillä lähde-mittausyksiköillä voidaan generoida voivat tuottaa virtaa, jännitettä ja kuormaa, ja mitata niitä. SMU-laitteita käytetään esimerkiksi puolijohdekomponenttien ja akkutoimintojen testaamiseen.

puolijohdekomponenttien testauksessa tarvittavia negatiivisia jännitteitä.

NGU201- ja NGU401-laitteiden suorituskyky mahdollistaa samanaikaisen virtojen ja jännitteiden hankinnan ja mittaamisen erittäin tarkasti. NGU201 käsittelee langattoman laitteen akkutestejä ja vaihtaa automaattisesti lähdetilasta kuorman Rohden SMU-perheen kaksi ensimmittaamiseen määritellyllä tulojänmäistä jäsentä ovat NGU210 ja NGU401. nitteellä. Neljän kvadrantin NGU401 voi Ensimmäinen voi käsitellä kahta myös vaihtaa negatiivisilla jännitteillä, kvadranttia, toinen neljää kvadranttia, mikä tukee lähdemittauksia laajalle mikä tarkoittaa, että se käsittelee myös joukolle virtalähdetyyppejä.

Laitteissa on kuusi mittausaluetta 10 mikroampeerista 0 ampeeriin. Alkupäässä resoluutio on 100 pikoampeeria, skaalan lopussa 10 mikroampeeria.

Jännitettä mitataan 10 mikrovoltin tarkkuudella 20 votin alueella ja yhden mikrovoltin resoluutiolla 6 voltin alueella.

Laitteissa voidaan kompensoida generoinnin tuottama kapasitanssi 1-470 mikrofaradin välillä, joten virta voidaan mitata samalla tavalla kuin jos se tapahtuisi suoraan testilaitteesta.

Lisätietoja Rohde & Schwarzin sivuilta.

Maailman pienin 100-wattinen GaNSystems on erikoistunut galliumnitridipohjaiseen tehoelektroniikkaan. Yhtiön uusin tuote on valmis referenssiratkaisu, jonka pohjalta voidaan kehittää markkinoiden pienimmät 100 watin lataustehon tuovat mobiililaitteiden laturit. Laajan kaistaeron GaN on usein paras valinta, jos tehonsiirrossa tarvitaan nopeita kytkentätaajuuksia.

Galliumnitridin avulla voidaan saada paras hyötysuhde ja energiatehokkuus erityisesti tehosyöpöissä sovelluksissa. GaN on kuitenkin vasta käyttönsä alkutaipaleella. Tehoelektroniikan markkinat olivat viime vuonna kooltaan 35,1 miljardia

Page 10

dollaria, mutta GaN-piirien myynti oli vain hieman yli 50 miljoonaa dollaria.

Hieman vauhdikkaammin lentoon on lähtenyt piikarbidi, joka sopii korkeisiin lämpötiloihin kovissa olosuhteissa. Lisäksi SiC-piirejä voidaan ohjata samoilla ratkaisuilla kuin perinteisiä pii-MOSFETteja.

Piikarbidi onkin hyvä vaihtoehto piille silloin, jos haetaan enemmän suorituskykyä. Esimerkiksi sähköauton invertteri on hyvä esimerkki tällaisesta.

GaNSystemsin laturin referenssimalli kuitenkin kuvaa, mihin ollaan menossa.

Esimerkiksi datakeskusten palvelimien

tehonsyötössä pii-MOSFETtien korvaaminen GaN-transistoreihin pohjaavilla piireillä tuo kaksinkertaisen tehon samassa koossa.

GaNSystemsin referenssi on myös erittäin älykäs. Se osaa esimerkiksi jakaa tehonsa kahdelle eri laitteelle. Niitä voidaan ladata esimerkiksi 65 ja 30 watin teholla tai kahdella 45 watin syötöllä. Hyötysuhde on parhaimmillaan 92,5 prosenttia.

Lisätietoja täällä.

ETNdigi - 1/2021

IoT-laitteille käyttövirta 5G-signaalista

YKSIKITEINEN AURINKOPANEELI ON TEHOKKAIN Solar Finland Oy on vertaillut yksikiteisestä piikennosta valmistettujen aurinkopaneeelien tehokkuutta monikiteiseen. Monopaneelit osoittautuivat tehokkuudeltaan paremmiksi.

Vertailussa olleiden samantehoisten mono- ja polypaneelien wattipiikit koko vuoden tuotoille olivat monopaneelien osalta 1280 kW ja polypaneelien osalta 1274 kW. Koko vuoden wattipiikkien kuukausivertailussa monopaneelit voittivat polypaneelit 7 kuukautena. Lue lisää etn.fi/12037.

SÄHKÖAUTON AKKU TÄYTEEN PARISSA MINUUTISSA

Georgian teknillisen instituutin tutkijat ovat löytäneet innovatiivisen tavan hyödyntää 5G-verkkojen ylikapasiteettia muuttamalla ne "langattomaksi sähköverkoksi".

Kyse on sähkömagneettista säteilyä energiaksi muuttavasta rektennasta, jolla voidaan tuottaa IoT-laitteiden tarvitsema virta.

Georgia Techin ratkaisu perustuu Rotman-linssiin ja sen pohjalta rakennettuun tasasuuntausantennijärjestelmän. Kyse on ensimmäisestä ratkaisusta, jolla pystytään keräämään energiaa millimetriaalloista 28 GHz kaistalla.

Millimetriaallot ovat energiankeruun kannalta haastavia. Riittävän tehon keräämiseksi pienitehoisten laitteiden virransyöttöä varten on tarvittu suurikokoisia antenneja. Tämä rajoitus estää niiden tehokkaan toiminnan, jos antenni ei osu keskitetysti 5G-tukiasemaan.

Tähän asti energiankeruu 5Gsignaalista on käytännössä vaatinut näköyhteyttä. Georgia Techin rektenna on suunta-agnostinen, mikä tekee siitä paljon käytännönläheisemmän. Antennin avulla kaikki antenniryhmien yhdestä suunnasta

ETNdigi - 1/2021

keräämät sähkömagneettiset energiat yhdistetään ja syötetään yhteen tasasuuntaajaan, mikä maksimoi sen tehokkuuden.

Rotman-linssi toimii aivan kuin optinen linssi, ja se tarjoaa kuusi näkökenttää samanaikaisesti hämähäkin muotoisena kuviona.

Linssin muodon virittäminen antaa rakenteen mahdollisuuden kartoittaa joukko valittuja säteilysuuntia. Linssiä käytetään sitten välikomponenttina vastaanottavien antennien ja tasasuuntaajien välillä 5G-energian keräämiseksi.

Esittelemässään demossa Georgia Techin kehittämä rektenna tuotti 21 kertaa enemmän sähköenergiaa kuin aiemmin kehitetty tehokkain ratkaisu. Kun 5G-verkot tulevat ennen pitkää olemaan kaikkialla, tämänkaltaisten rektennaratkaisujen avulla IoT-laitteet – ja jopa puettavat laitteet – voivat tulevaisuudessa tullaan toimeen ilman paristoja.

Tutkijat valmistivat rektennan mustesuihkutekniikalla tulostamalla, joten niiden massavalmistamisen pitäisi onnistua tulevaisuudessa edullisesti.

Lübeckin teknillisessä korkeakoulussa on kehitetty pikalataustekniikka, jolla esimerkiksi nykysähköautoista Nissan Leafin 40 kilowattitunnin akku voitaisiin ladata muutamassa minuutissa. Tutkijat pyrkivät jatkossa jopa 1000 kilowatin lataustehoon.

Käytännössä tämä tarkoittaisi, että isonkin ajoneuvon akun voisi ladata täyteen minuuteissa. Normaalista sähköpistokkeesta latauskapasiteetti on tyypillisesti 22 kW. Lue lisää etn.fi/11329.

12 VOLTISTA YHDELLÄ SIRULLA SUORAAN ADAS-KAMERAAN Renesas on esitellyt uuden järjestelmäpiirin autojen etu- ja ADAS-kameroiden tehonsyöttöön. Ratkaisu pitää sisällään synkronisen buck-muuntimen sekä 7kanavaisen tehonhallintapiirin. Esimerkiksi RAA271050 on 42 voltin buck-esiregulattori, joka hyväksyy ajoneuvon 12 voltin virransyötön ja muuntaa sen alas 3,3 tai 5,0 V välijännitteeseen.

Lue lisää etn.fi/11962.

MAXIM KUTISTI MUUNTIMEN Maxim Integrated Products on esitellyt kaksi alan pienintä ja tehokkainta DC-DCmuunninta. Uutuudet ovat Maximin ensimmäiset 60 voltin muuntimet ja ne säästävät laitteiden piirikorttialaa jopa 72 prosenttia vähentämällä komponenttien määrän puoleen. Muuntimet kuluttavat 35 prosenttia vähemmän tehoa kuin kilpailevat ratkaisut. Lue lisää etn.fi/11925.

Page 11

UUTISET

GaN ja SiC valtaavat tehomarkkinoita Uudet laajan kaistaeron materiaalit kasvattavat suosiotaan tehoelektroniikassa. Tutkimuslaitos TrendForce ennustaa, että galliumnitridi-pohjaisten komponenttien markkinat kasvavat tänä vuonna 90,6 prosenttia. Myös piikarbidikomponenttien markkinat kasvavat 32 prosenttia viime vuodesta.

Kasvu perustuu moneen tekijään.

TrendForcen mukaan rokotukset purevat nyt pandemiaan hyvin, joten tukiasemien valmistus lähtee jälleen vauhtiin. Monet älypuhelinvalmistajat – ainakin Xiaomi, Oppo ja Vivo – ovat alkaneet valmistaa GaN-pohjaisia latureita.

Tärkeä liike oli myös Teslan päätös siirtyä käyttämään SiC-pohjaisia mosfetteja Model 3 -autoissaan. Tämä

käytännössä aloittaa laajamittaisen SiCkäytön autoteollisuudessa.

GaN-piirejä valmistetaan edelleen pääasiassa 6-tuumaisilla kiekoilla, vaikka esimerkiksi TSMC on yrittänyt tuotantoa 8-tuumaisilla.

Valmistuskapasiteetin kasvattaminen edellyttää kuitenkin kysynnän kasvua. Pandemian hidastuessa 5Gtukiasemien RF-etupääkomponenttien kysyntä lähtee kasvuun.

TrendForce ennustaa, että GaNpohjaisia RF-piirejä myydään tänä vuonna 680 miljoonalla dollarilla. GaNtehokomponenttien myynti kasvaa 61 miljoonaan dollariin. Kyse on erityisesti tehokomponenteissa vielä pienistä volyymeistä, mutta kasvupotentiaalia pidetään isona.

GaN- ja SiC-puolijohteiden kaistaerotus (band gap) on yli 3 kertaa laajempi kuin perinteisissä puolijohteissa, joten ne kestävät 10 kertaa suurempaa jännitettä. Käytännössä tuloksena on hyötysuhteeltaan parempia ja pienikokoisempia tehokomponentteja.

Tämä näkyy esimerkiksi pienempinä pikalatureina kännyköissä.

Tekoälyllä eroon tehohäviöistä Kalifornialainen Pre-Switch sanoo kehittäneensä maailman ensimmäisen tekoälypohjaisen DC/AC- ja AC/DCkytkimien ohjaimen. CleanWave200ohjaimen hyötysuhde yltää pehmytkytkennässä (soft switching) peräti 99,3 prosenttiin. Tekniikan uskotaan mullistavan sähkö- ja uusiutuvien energialähteiden suunnittelun.

CleanWave200 hyödyntää kolmea erillistä, edullista 35 mΩ:n SiC-pohjaista MOSFETtia jokaista kytkintä kohti. PreSwitchin toimitusjohtaja Bruce Renouardin mukaan markkinoilla ei ole mitään muuta ratkaisua, jolla päästäisiin edes lähelle 99,3 prosentin hyötysuhdetta 100 kilohertsin kytkentänopeudella käyttäen edullisia SiC-MOSFETteja.

Pre-Switch antaa asiakkaille mahdollisuuden rakentaa järjestelmiä, joiden kytkentätaajuudet ovat 4-5 kertaa nopeampia kuin kovakytkentäiset IGBTjärjestelmät ja 35 kertaa nopeampia kuin kovakytketyt SiC- ja GaN-järjestelmät.

Page 12

Lisäksi tulokset saadaan puolta pienemmällä määrällä transistoreita.

Esimerkiksi SiC-pohjaisen sähköajoneuvon taajuusmuuttajan tapauksessa kytkentänopeuden kasvattaminen 10 kilohertsistä 100 tai 300 kilohertsiin tuottaa lähes täydellisen siniaallon ilman suodinta. Tuloksena on moottorin hyötysuhteen kasvu pienellä vääntömomentilla ja pienillä kierroksilla.

Pre-Switch-ohjaimen tekoäly analysoi useita tuloja jaksoittain säätämällä reaaliajassa pieniä, resonoivia transistoreita, mikä mahdollistaa täydellisen pehmeän kytkennän ankarissa muuttuvissa ympäristöissä.

Järjestelmän lämpötilan vaihtelut, muuttuvat tulojännitteet ja äkilliset virranvaihtelut otetaan kaikki huomioon ja optimoidaan Pre-Switchin tekoälyalgoritmissa.

ETNdigi - 1/2021

Suomalaistekniikka ratkaisee korvanapin energiaongelmat Integroitujen piirien kehitys on ottanut jatkuvasti isoja kehitysaskelia. Viivanleveys on pienentynyt ja laskentaytimet ovat kehittyneet, kun tavoitteena on ollut suurempi laskentanopeus ja pienempi tehonkulutus. Uusimmatkaan pienen tehonkulutuksen mikro-ohjaimet eivät itse asiassa ole kovinkaan energiatehokkaita.

olisi hyvä olla kahdeksan tuntia. Tästä syystä huippukuulokkeissa onkin nähty jopa neljäytimisiä mikroohjaimia, joista jokainen ydin on kustomoitu eri käyttökohteelle. Tällaiset järjestelmät ovat tunnetusti hankalasti ohjelmoitavia. Suunnitteluvaiheen verifiointi on pitkä prosessi ja lisää suunnittelukustannuksia.

Yleisin tehonsäästömenetelmä on suorittaa operaatiot mahdollisimman nopeasti ja sen jälkeen käyttää mikroohjaimen monia ”sleep”-sammuttamismenetelmiä. Energia ja teho riippuvat kuitenkin neliöllisesti käyttöjännitteestä ja siten käyttöjännitteen lasku on tehokkain energian- ja tehonsäästömenetelmä.

Miniman teknologia mahdollistaa kaiken tämän toiminnallisuuden toteuttamisen yhdellä tai kahdella ytimellä. Lisäksi ytimet voivat jatkuvasti toimia algoritmille optimaalisella käyttöjännitteellä (300mV kuuntelulle, 950mV tekoälylle, jne.).

Tästä esimerkki nähdään kuvassa 1.

Nykyiset mikro-ohjaimet toimivat alimmillaan n. 900 millivoltilla, kun Minima Processorin teknologia mahdollistaa jopa 300 millivoltin käyttöjännitteen ja yli 15-kertaisen energiansäästön (normaaliin 1,2 voltin käyttöjännitteeseen verrattuna).

Käyttöjännitteen lasku ei kuitenkaan ole ilmaista: suurin kellotaajuus laskee suunnilleen lineaarisesti käyttöjännitteen funktiona. Onneksi uusimmat mikro-ohjaimissa käytössä olevat puolijohdeprosessit ovat siinä määrin nopeita, että 300 millivoltilla pääsee vielä noin 10 megahertsin kellotaajuuksiin.

Uusimpien puolijohdeteknologioiden ja teknologioiden (kuten Miniman) käyttö ei kuitenkaan ole ilmaista ja siksi markkinoilta on löydyttävä käyttökohde, jolle energiahyöty on helposti muutettavissa markkinaosuudeksi. Perinteinen ”vesimittaus” ei ole tällainen, koska nämä mittarit heräävät hyvin harvoin (kerran 10 minuutissa, milloin aktiivisen ajan osuus on n. 10-5).

Tällaisissa käyttökohteissa tärkeintä on sammutuksen aikana tapahtuvan vuotoenergian minimointi.

Parhaaksi käyttökohteeksi ovat osoittautuneet uusimmat inear- eli nappikuulokkeet, joissa on puheentunnistus (Alexa, Siri). Näiden laitteiden prosessoreita ei voi sammuttaa, koska komentosana voi tulla millä hetkellä hyvänsä (always-on järjestelmä). Kuuntelu itsessään ei kuitenkaan ole kovin monimutkainen operaatio ja siihen kymmenisen megahertsiä riittää mainiosti.

Uusimmat in-ear -kuulokkeet ovat todella haastavia suunnittelukohteita. Pienen suorituskyvyn kuuntelun lisäksi laitteen pitää pystyä muun muassa tunnistamaan komentosana (suhteellisen kompleksi tekoälyongelma), purkamaan musiikkitiedostoja (suhteellisen helppoa), pyörittämään Bluetooth-standardia (suhteellisen helppoa) ja tuottamaan vastamelua (vaikea ongelma, varsinkin useammalla mikrofonilla). Akun pitää mahtua korvan sisälle ja käyttöaikaa

ETNdigi - 1/2021

Kuva 1: Miniman NTV-tekniikalla (Near Threshold Voltage) CPU:n käyttämää energiaa voidaan skaalata (kuvassa oikealla) sekä algoritmin yksinkertaisiin osiin että monimutkaisempiin osiin kuten kuulokkeisiin IoT-sovelluksissa.

Miniman teknologia mahdollistaa myös käyttöjännitteen reaaliaikaisen säätämisen lämpötila-, prosessi- ja jännitevarianssin mukaan. Huono piipala lämpimässä huoneessa voi vaatia 200mV enemmän jännitettä kuin keskiverto pii normaalissa huonelämpötilassa. Perinteisesti kaikki tietyn mallin ohjaimet toimisivat tällä korkealla jännitteellä ja hukkaisivat siten reilusti energiaa, mutta Miniman teknologia säätää käyttöjännitteen joka kappaleelle erikseen. Koska Miniman teknologia säästää energiaa myös korkeimmilla käyttöjännitteillä, voisi saman piinpalan ylin kellotaajuus olla 200 megahertsiä aiemman 100 megahertsin sijaan.

Vastaavia käyttökohteita löytyy paljon varsinkin tekoälyn leviämisen ja avoimen lähdekoodin RISC-V-prosessoreiden myötä. Nämä ja Miniman teknologia mahdollistavat todellisen ubiikin elektroniikan esiinmarssin.

Kirjoittaja Lauri Koskinen on Minima Processorin perustaja ja teknologiajohtaja.

Lisätietoja minimaprocessor.com

Page 13

ETN is a Finnish technology media for everyone working, studying or just interested in technology. Through website with daily news and technical articles, daily newsletters and columns ETN covers every aspect of high technology. We cover automation, devices, networks, embedded, power, test & measurement, design & programming, manufacturing and distribution. All in Finnish. etn.fi/tilaa

For advertising and editorial cooperation, contact us Editor-in-chief Veijo Ojanperä vo@etn.fi +358-407072530 Sales Manager Anne-Charlotte Sparrvik ac@etn.fi +46-734171099

Page 14

ETNdigi - 1/2021

POLTTOPISTEESSÄ

VIRTA DATAN MUKANA

ADI:n PoDL-demossa kortilla oleva ohjainpiiri LTC4297 on IEEE:n 802.3bu-standardin mukainen.

Hyvin monissa sulautetuissa sovelluksissa olisi isoa etua siitä, että data ja laitteen vaatima virta voitaisiin siirtää samaa kaapelia pitkin. Analog Devices on kehittänyt tekniikan, jolla tämä onnistuu yhdellä parikaapelilla Ethernetin yli.

ADI:n vanhempi suunnitteluinsinööri Gaurav Patwardhanin mukaan Ethernet on toimiverkoissa hiljalleen vallannut alaa niin teollisuudessa kuin esimerkiksi ajoneuvoissa. Nyt aika on Patwardhanin mukaan kypsä PoDL-tekniikalle (powerover-dataline).

Virtuaalisen Embedded World -messun aikana ADI esitteli demoa, jossa 1000BASE-T- ja 100BASE-T-linkit muunnettiin SPoE-linkiksi, jossa datan rinnalla siirtyy toimilaitteen vaativa virta.

Patwardhanin mukaan demo esitteli markkinoiden ensimmäistä 802.3bustandardin mukaista PSE-ohjainta (power sourcing equipment controller).

PSE-kortin moottorina on LTC4296-piiri.

Demokortille tuotiin shield- eli lisäkortilla 100BASE-T-signaali, joka muunnetaan PSE-kortilla PoDL-signaaliksi. Virta siirtyy datan rinnalla galvaanisesti eristettynä

ETNdigi - 1/2021

15-metrisen suojaamattoman parikaapelin yli.

Vastaanottimessa on LTC4297-ohjain, jossa on samanlainen 100BASE-Tmediamuunnin lisäkortilla. Videosignaali muunnetaan normaaliksi 4-parikaapelin datasignaaliksi. PoDL-signaalin teho uutetaan linjasta ja siirretään DC-DCmuuntimeen, josta se syötetään mediajärjestelmän näyttöön. Demossa virtaa saivat LCD-näytön lisäksi kaksi kaiutinta.

Demon toisella puolella kortilla oli 1000BASE-T-lisäkortti, johon data tuli ulkoiselta mediamuuntimelta. Signaali muunnetaan muotoon, jossa se voidaan siirtää koaksiaalikaapelin yli ja johon yhdistetään virta PSE-kortilta.

Data ja virta siirretään 15-metristä koaksiaalikaapelia pitkin. Vastaanotinpäässä samanlainen LTC4297-kortti

siirtää datan 1000BASE-Tmediamuuntimeen. Virta siirtyy DC-DCmuuntimeen ja sieltä sekä mediamuuntimeen että näyttöön. Molempien järjestelmien tehonkulutus on enimmillään sama 19 wattia.

Mikäli kaapeli irrotetaan, PSE-ohjain tunnistaa heti jännitteen puuttumisen ja tehonsyöttö pysäytetään. Samoin PSEohjain tunnistaa kaapelin liittämisen PEohjaimen lähettämän signaalin perusteella ja tehonsyöttö jatkuu. Ohjain tunnistaa myös ylijännitteen linjassa.

Tyypilliseen kahden kaapelin järjestelmään verrattuna ADI:n PoDL-tekniikka tarjoaa robustin, standardoidun ja yhteentoimivan ratkaisun virransyötölle parikaapelin yli.

Lisätietoja Analog Devicesin sivuilta.

Page 15

WHAT IF ANYWHERE WAS ALWAYS CONNECTED TO EVERYWHERE? What if there were no ocean, desert, mountain or event that could ever keep us from telling our stories, sharing discoveries or asking for help? Our next-gen communications technology could keep all of us, even those in the most remote places, connected.

Analog Devices. Where what if becomes what is.

See What If: analog.com/WhatIf

Page 16

ETNdigi - 1/2021

POLTTOPISTEESSÄ

TEHOSUUNNITTELUA HELPOSTI JA NOPEASTI Nykyjärjestelmissä on tavallista, että eri piireille tuodaan kymmeniä, jopa satoja erilaisia tehonsyöttöjä. Näiden suunnittelu manuaalisesti on iso ja työläs urakka. Analog Devicesin työkaluilla tehtävä helpottuu.

ADI:lla on Linear-kaupan peruina kattava LTpowerTools-paketti, jota on myös tiiviisti kehitetty eteenpäin viisi vuotta sitten tehdyn kaupan jälkeen. Kokonaisuuteen kuuluvat LTpowerPlanner-, LTpowerCAD- ja LTspice-työkalut.

Tämän jälkeen työkalu tuottaa piirikaavion, joka voidaan ajaa LTspicetyökaluun tarkkaa simulointia varten.

Siinä voidaan ajaa yksittäisten muuntimien ja koko järjestelmän yksityiskohtainen simulaatio.

Yhtiön tehosuunnittelun sovelluspäällikkö Dongyan Zhoun mukaan muuntimien suunnittelu alkaa LTpowerPlannerilla. Se korvaa antiikkisen tehopuukaavion piirtämisen. Kaaviossa esitetään syöttövirta, yksittäiset tehoelementit sekä eri komponenteille syötettävät kuormat.

Työkalu näyttää eri kuormien parametrit (esimerkiksi tehokkuus, häviöt, lämmöntuotto, korttiala) ja sen avulla voi jo alkaa arvioida järjestelmän ominaisuuksia.

Kaikki työkalut on integroitu samaan suunnitteluympäristöön, joten koko suunnitteluvuo voidaan viedä läpi samasta ikkunasta. Jos LTpowerPlannerissa syötetään eri lohkoihin jännite, hävikit ja hyötysuhde, työkalu näyttää tulotehon ja lähtösyöttöjen arvot.

Eri lohkot voivat olla geneerisiä tai todellisten komponenttien arvoja.

Yleiskaavion luomisen jälkeen vaihdetaan LTpowerCAD-työkaluun, jossa voidaan valita paras mahdollinen komponentti tehokaavion kuhunkii lohkoon. Kun paras osa on valittu, työkalu auttaa valitsemaan muut tarvittavat komponentit valmistajien laajasta tietokannasta.

Tämän jälkeen suunnittelulle voidaan ajaa hyötysuhteen, virranvaihteluiden, ja lähtövirtojen korkean tason simulointia, millä suunnittelu voidaan verifioida.

LTpowerCAD tuottaa suunnitteluraportin kullekin yksittäiselle lohkolle sijoitteluehdotuksineen.

ETNdigi - 1/2021

Dongyan Zhou kertoo, että LTpowerPlannerilla on helppo vertailla eri arkkitehtuureita ja niiden vaikutusta sekä syöttöihin, että järjestelmän kokonaistehokkuuteen. Yhä useammin suunnittelijat tekevät tätä arkkitehtuurien vertailua, koska se onnistuu nopeasti ja vaivattomasti.

Suunnittelija voi sitten klikata kutakin lohkoa ja suunnitella paras mahdollinen muunninratkaisu valitsemalla haluamansa parametrit. Sopivaa komponenttia voi sitten hakea ADI:n kirjastosta. Kun sopiva komponentti valitaan, työkalu päivittää lohkon parametrit.

Kun lohkokaavio on valmis, voidaan kunkin osan vaatimien resistorien, induktorien, kondensaattorien, mosfettien tai muunninpiirien (transformers) arvot valita. LTpowerCAD antaa suositellut arvot suunnittelun kriteerien perusteella. Kaaviosta voi myös klikata suoraan komponenttien listaan, josta valinta voidaan tehdä.

Komponenttimallit ovat tarkkoja, jotta ne tuottavat LTspice-simulaatiossa mahdollisimman tarkan kuvan suunnittelun tehonkäytöstä, hyötysuhteesta ja häviöistä. Työkalu myös näyttää graafisesti jokaisen valitun komponentin hyötysuhteen ja häviöt.

Tässä vaiheessa voidaan vielä kokeilla eri komponenttiarvoilla ja katsoa, miten ne vaikuttavat muunnoksen käyttäytymiseen.

Lopulta valmis suunnittelu viedään LTspice-simulointiin, joka tuottaa tarkat tiedot valituista ratkaisuista. Simuloinnin jälkeen työkalu tuottaa yhteenvedon, komponenttikustannusarvion (BOM) ja ratkaisun vaatiman tilan arvion piirilevyllä.

Työkalut voidaan ladata ilmaiseksi ADI:n verkkosivuilta. Lisätietoa täältä.

Page 17

PIIKAR TEHOS Orlando Esparza Microchip Technology

Piikarbidiin (SiC) perustuvan tekniikan kysyntä jatkaa kasvuaan. Sen avulla voidaan maksimoida nykyisten tehojärjestelmien hyötysuhde ja samalla kutistaa niiden kokoa, painoa ja kustannuksia. SiCratkaisut eivät kuitenkaan voi suoraan korvata piikomponentteja eivätkä ne ole keskenään samanlaisia.

Piikarbidin lupausten toteuttamiseksi kehittäjien on arvioitava huolellisesti eri tuotteiden ja toimittajien väliset erot liittyen laatuun, toimitusvarmuuteen ja tukipalveluihin. Lisäksi on ymmärrettävä, kuinka voidaan optimoida piikarbidipohjaisten tehokomponenttien integrointi loppujärjestelmiin.

Page 18

Piikarbidin hyödyntäminen tehojärjestelmissä on tulossa uuteen vaiheeseen. Huomiota kiinnitetään nyt erityisesti järjestelmien kokonaisvaltaiseen suunnitteluun, kytkinkomponenttien luotettavuuteen ja uusiin hilaohjaustekniikoihin. Lisäksi SiCkomponenttien toimittajilta vaaditaan vankkaa ja luotettavaa toimitusketjua sekä kattavia simulointija kehitystyökaluja suunnittelun tueksi.

KÄYTTÖ KASVAA NOPEASTI SiC-tekniikan käyttöönottoa kuvaavat käyrät osoittavat jyrkästi ylöspäin. Tuotteiden saatavuus on parantunut ja samalla useiden komponenttitoimittajien valikoimat ovat laajentuneet. Markkinat ovat kaksinkertaistuneet viimeisten kolmen vuoden aikana ja niiden ennustetaan kasvavan noin 20-kertaiseksi yli 10 miljardiin dollariin seuraavan kymmenen vuoden aikana.

Ajoneuvopuolen hybridi- ja sähköautojen (H/EV) moottorinohjausjärjestelmien lisäksi käyttöönotto yleistyy muun muassa junissa, raskaissa ajoneuvoissa, teollisuuskoneissa ja sähköautojen lataus-

järjestelmissä. Myös ilmailu- ja sotilaspuolen komponenttitoimittajat pyrkivät saamaan SiCtuotteiden laatu- ja luotettavuustasot vastaamaan näiden sovellusalojen tiukkoja kestävyysvaatimuksia.

Tärkeä osa SiC-teknologian kehitysohjelmaa on piikarbidiosien luotettavuuden ja kestävyyden todentaminen, koska niissä on suuria eroja eri toimittajien välillä. Kokonaisjärjestelmien merkityksen kasvaessa suunnittelijoiden on kyettävä myös evaluoimaan eri toimittajien tuotetarjonta.

On tärkeää, että suunnittelijat tekevät yhteistyötä sellaisten toimittajien kanssa, jotka pystyvät

ETNdigi - 1/2021

RBIDI VALTAA OSOVELLUKSIA tarjoamaan joustavasti erilaisia ratkaisuja kuten sirutasoisia, erilliskoteloituja ja moduulitason vaihtoehtoja, joita tuetaan maailmanlaajuisella jakelulla, tuotetuella sekä kattavilla piirisuunnittelun simulointi- ja kehitystyökaluilla.

Tulevaisuutta turvaavaan suunnitteluun panostavien kehittäjien on myös tutkittava uusimmat tekniikan tarjoamat ominaisuudet. Näitä ovat esimerkiksi digitaaliset ohjelmoitavat hilaohjaimet, joiden avulla voidaan ratkaista aiemmat toteutusongelmat ja mahdollistaa järjestelmän suorituskyvyn ’virittäminen’ suoraan näppäimistöltä.

KOLME TÄRKEÄÄ TESTIÄ SiC-komponenttien luotettavuuden evaluoimiseksi on luotu kolme tärkeää testiä, joiden avulla määritetään vyöryvirran sietokyky, oikosulkujen sietokyky sekä SiC MOSFET -kytkimen runkodiodin luotettavuus.

Riittävä vyöryvirran sietokyky on kriittinen tekijä: jopa passiivisen komponentin aiheuttama pieni toimintahäiriö voi aiheuttaa jännitteisiin transienttipiikkejä,

ETNdigi - 1/2021

jotka ylittävät nimellisen läpilyöntijännitteen. Tämä saattaa viime kädessä johtaa kytkinkomponentin tai mahdollisesti koko järjestelmän vikaantumiseen.

Hyvin vyöryvirtaa sietävät SiCMOSFET-kytkimet vähentävät vaimennuspiirien tarvetta ja pidentävät sovelluksen elinikää.

Korkeimmalle luokiteltujen kytkimien UIS-suorituskyky (Unclamped Inductive Switching) on jopa 25 joulea neliösenttiä kohti (J/cm2). Näillä komponenteilla on nähtävissä vain vähäistä parametrien heikentymistä jopa 100 000 sykliä kestävän RUIStestin (Repetitive UIS) jälkeen.

Toinen tärkeä testi on oikosulun sietoaika SCWT (Short Circuit Withstand Time) eli maksimiaika, jonka kytkinkomponentti kestää rikkoutumatta, kun jännitelinjat oikosuljetaan. Lukeman tulisi olla lähellä tehonmuuntosovelluksissa käytettävien IGBT-transistorien tuloksia, jotka yleensä ovat 5-10 mikrosekunnin luokkaa. Riittävän SCWT-arvon varmistaminen antaa järjestelmälle mahdollisuuden korjata vikatilanne ennen vaurioitumista.

Kolmas keskeinen mittari on SiCpohjaisen mosfetin sisäisen runkodiodin myötäsuuntaisen jännitteen vakaus. Tämä voi vaihdella huomattavasti eri toimittajien tuotteiden välillä.

Ilman tehokytkimen oikeaoppista suunnittelua, käsittelyä ja materiaalivalintoja tämän diodin johtavuus voi heikentyä käytön aikana, minkä seurauksena johtavan tilan nielu-lähderesistanssi (RDSon) kasvaa.

Kuva 1 valaisee eroja käytännössä. Ohion yliopiston tekemässä tutkimuksessa evaluoitiin kolmen eri toimittajan MOSFETkytkimiä. Kehnoimmassa tapauksessa toimittajan B kaikissa komponenteissa nähtiin myötävirran selvää heikkenemistä, kun taas toimittajan C kytkimissä heikentymistä ei havaittu lainkaan.

TUKEA JÄRJESTELMÄTASON SUUNNITTELUUN Toimittajien lukumäärän kasvaessa tämän päivän SiC-yhtiöt voivat poiketa toisistaan tuotevaihtoehtojen määrissä, kokemuksessa ja infrastruktuurissa, joita tarvitaan monilla tiukoilla SiC-markkinoilla kuten autojen,

Page 19

Kuva 1. SiC-pohjaisten MOSFETien ominaiskäyrissä nähtävät erot runkodiodin johtavuudessa myötäsuuntaan. Lähde: Anant Agarwal ja Min Seok Kang, Ohion yliopisto.

lentokoneiden ja sotilaslaitteiden valmistuksessa.

Tehojärjestelmien piirisuunnitelmia parannellaan jatkuvasti sekä ajan mittaan että eri sukupolvien sisällä. SiCsovellukset eivät poikkea tästä.

Varhaisen sukupolven järjestelmissä on voitu käyttää yleisesti saatavilla olevia ja tavanomaisia erilliskomponentteja standardiratkaisuissa piirilevyn reikiin asennettuina tai pintaliitosversioina.

Kun sovellusten määrä kasvaa ja suunnittelijat keskittyvät järjestelmän koon, painon ja kustannusten pienentämiseen, piirisuunnitelmat siirretään yleensä integroituihin tehomoduuleihin tai valitaan kolmas osapuoli kumppaniksi.

Näihin kolmansien osapuolten kumppanuuksiin kuuluvat lopputuotteen suunnittelutiimi,

Page 20

moduulinvalmistaja ja SiCkomponenttien toimittaja.

Kullakin on kriittinen rooli yleisten suunnittelutavoitteiden saavuttamisessa.

Toimitusketjuun liittyvät kysymykset muodostavat keskeisen ja perustellun huolenaiheen nopeasti kasvavilla SiCmarkkinoilla. Piikarbidi-substraatti on kallein materiaali SiCkiekkojen valmistuslinjalla. Lisäksi piikarbidi vaatii tuotannossa korkeita lämpötiloja sietäviä laitteita, joita ei tarvita piipohjaisten tehokomponenttien ja ICpiirien valmistuksessa.

Suunnittelijoiden on varmistettava, että SiC-toimittajilla on käytössä vankka toimitusketjun malli, joka sisältää useita tuotantopaikkoja luonnonkatastrofien tai mittavien saantoongelmien varalta, jotta tarjonta voi aina vastata kysyntään.

Monet komponenttien toimittajat käyttävät myös vanhoja, elinkaaren loppupuolella olevia EOL-tuotantolaitteita (end-of-life), mikä pakottaa suunnittelijat uhraamaan aikaa ja resursseja olemassa olevien sovellusten uudelleensuunnitteluun sen sijaan, että kehittäisivät uusia innovatiivisia piirisuunnitelmia, jotka auttavat alentamaan lopputuotteen kustannuksia ja kasvattamaan tuottoja.

Suunnittelun tukeminen on myös kriittinen tekijä. Siihen kuuluvat muun muassa simulointityökalut ja referenssisuunnitelmat.

SiC-tehokytkimien ohjaamiseen ja hallintaan tarkoitettujen ratkaisujen avulla kehittäjät voivat tutkia uusia ominaisuuksia, kuten lisättyä kytkentää hyödyntävää AS-ohjaustekniikkaa (Augmented Switching), jotta koko järjestelmän kattava

ETNdigi - 1/2021

Kuva 2. Hilaohjaimiin liitetyt sovitinkortit tarjoavat alustan uusien SiC-tehokytkimien nopeaan evaluointiin ja optimointiin hyödyntämällä lisätyn kytkennän (AS) ohjaustekniikkaa.

lähestymistapa voidaan hyödyntää laajasti.

Kuvassa 2 on esitetty SiCpohjaisen järjestelmän modulaarinen rakenne. Siihen on liitetty digitaalinen ohjelmoitava hilaohjain, joka nopeuttaa entisestään tuotantoon siirtymistä ja luo uusia tapoja optimoida piirisuunnitelmia.

UUSIA VAIHTOEHTOJA OPTIMOINTIIN Digitaalisen ohjelmoitavan hilaohjaimen tarjoamat vaihtoehdot maksimoivat piikarbidin tuomat edut lisättyä kytkentää hyödyntävän AS-ohjauksen avulla. Ne mahdollis-tavat SiC MOSFET kytkimen käynnistys/sammutusaikojen ja jännitetasojen helpon konfigu-roinnin, jolloin suunnittelijat voivat kasvattaa kytkennän

nopeutta ja nostaa järjestelmän hyötysuhdetta vähentäen samalla hilaohjaimen kehittämiseen tarvittavaa aikaa ja monimutkaisuutta.

Sen sijaan, että piirilevyä muutettaisiin manuaalisesti, kehittäjät voivat optimoida SiCpohjaisen piirisuunnitelmansa konfigurointiohjelman avulla vain näppäimiä painamalla ja samalla suojata niitä tulevaisuudessa tapahtuvilta muutoksilta. Näin voidaan myös nopeuttaa järjestelmän tuontia markkinoille sekä parantaa hyötysuhdetta ja vikasietoisuutta.

SiC-komponenttien varhaiset omaksujat ymmärtävät jo tekniikan tarjoamat edut autoteollisuudessa, ilmailualalla ja sotilastekniikassa käyttöönoton yleistyessä yhä laajemmille sovellusalueille. Piikarbidin

menestys riippuu jatkossakin toimittajien kyvystä vahvistaa SiC-komponenttien luotettavuutta ja kestävyyttä.

Kehittäjät omaksuvat kokonaisratkaisuihin tähtäävän strategian ja haluavat pääsyn laajoihin tuotevalikoimiin, joita tuetaan globaalisti kattavilla ja luotettavilla toimitusketjuilla sekä kaikilla tarvittavilla suunnittelun simulointi- ja kehitystyökaluilla.

Suunnittelijoille luodaan samalla uusia mahdollisuuksia suojata investointeja tulevaisuuden muutoksilta ohjelmallisesti ohjelmoitavan suunnitteluoptimoinnin avulla, joka on mahdollista digitaalisesti ohjelmoitavan hilaohjauksen keinoin.

Suunnitteluhaaste

Aiheuttaja

AS-ohjauksen tuoma apu

• Väärät hälytykset: oikosulku, alijännite • Liian hidas oikosulkuvaste • Hallitsematon jänniteylitys • Puutteellinen moduulin suorituskyvyn data

• Kohina • Oikosulkuvaste • Ylijännite • Käytettävän ohjaimen rajallinen vikapalaute

• Vankat ilmaisu- ja suojauspiirit • Nopea ja tarkka digitaalinen ratkaisu • Tarkasti konfiguroitava ohjelmallinen ’viritys’ • Seitsemän erityistä vikakoodia, mukaan luettuina lämpötilan ja jännitteen valvonta

Käyttämällä digitaalista ohjelmoitavaa hilaohjainta, joka hyödyntää lisätyn kytkennän (AS) ohjaustekniikkaa, voidaan ratkaista SiC-kytkimien kohinaongelmat, nopeuttaa oikosulkuvastetta, hallita jänniteylityksen tuomia ongelmia ja minimoida ylikuumeneminen.

ETNdigi - 1/2021

Page 21

NÄIN SUOJAAT LAITTEESI

JÄNNITEVAURIO Reza Maghdounieh Rutronik

Oikea ESD-suojaus sähköstaattisia purkauksia vastaan ja sopiva EMI-suojaus sähkömagneettisilta häiriöiltä ovat olennainen osa käyttöliittymiä. Tässä artikkelissa kerromme, mitä muuta pitää ottaa huomioon jännitevahinkojen, toimintahäiriöiden ja myöhempien vaurioiden välttämiseksi HMI-sovelluksissa eli ihmisen ja koneen rajapinnassa.

Oikeiden komponenttien valinta voi suojata odottamattomilta

Page 22

Normaali päivittäinen toiminta voi saada ihmiskehon latautumaan huomaamatta jopa 10 000 voltin sähkövirralla. Alle 3500 voltin purkaukset jäävät täysin huomaamatta. Ja kuitenkin jo sadan voltin purkaus riittää aiheuttamaan merkittäviä vahinkoja erittäin herkille mikropiireille.

lisäkustannuksilta. Ohjeista vastaa Rutronikin vakiotuotteiden vanhempi tuotepäällikkö Reza Maghdounieh.

Ylijännitevahinkoja aiheuttavat heikot kohdat ovat yleensä rajapintoja. Nämä voivat olla kaapelin sisääntuloportteja tai haptisia elementtejä, kuten näyttöjä ja painikkeita. Koska näitä ei voida laitteissa kokonaan välttää, on yleinen käytäntö

minimoida mahdolliset jännitepiikit jo ennen kuin ne saavuttavat herkät komponentit. Tämä alkaa jo piirilevyn komponenttien sijoittelusta.

Jos näiden liitäntöjen ESDpurkautumistie on liian lähellä piirin muita osia, se voi aiheuttaa vaurioita kenttäkytkennän kautta.

Tämä kuvaa virtaa, joka vuotaa purkureitiltä piirilevyn herkempiin osiin. Tällaisille vaurioille alttiita

ETNdigi - 1/2021

ratkaisuja.

Suojadiodeja käytettäessä on tärkeää ottaa huomioon käyttöympäristö. Vishayn pintaliitettävät SMF-diodit (Surface Mount FlatDiodes) erottuvat nopean reaktioaikansa ansiosta ja ovat ihanteellisia kädessä pidettävien sovellusten, kuten kannettavien tietokoneiden, tablettien ja ulkoisten tallennusasemien transienttijännitesuojauksille. Lisäksi SMFsarja tukee jopa 260 celsiusasteen lämpötiloja (juotos 10 s).

Tämä on tärkeä ominaisuus, koska potentiaaliset lähettimet voivat olla myös teollisia valmistuslaitteita, kuten juotosrautoja, tuotantokoneita ja pakkausmateriaaleja.

OILTA alueita ovat esimerkiksi datapiirit, mikro-ohjaimet, A/D-muuntimet tai operaatiovahvistimet.

Hallitsematon jännite voi johtaa joko koviin tai pehmeisiin vikoihin. Kovia laitetason vikoja esiintyy ESD-pulssin suoran liitännän kautta ja ne voidaan välittömästi tunnistaa vaurioituneina komponentteina (p/nläpiviennin kuumeneminen tai eristeen pettäminen, metalloinnin sulaminen). Pehmeät viat ovat toimintahäiriöitä, jotka aiheutuvat parasiittisesta kytkennästä, joka aiheutuu ESD-purkauksen kautta.

telmissä, sekä tietoliikenne- ja autoteollisuudessa herkkien piirilevyjen suojaamiseksi. Näillä komponenteilla on ylivoimainen kiinnitys suojadiodien välillä ja ne on kytketty yhdensuuntaisesti suojattavan kuorman kanssa.

ESD-SUOJAUKSESSA YKSI KOKO EI SOVI KAIKILLE

TVS-diodien etuna on niiden lyhyt laukaisuaika ja pieni kapasiteetti.

Ne ovat lumivyöryelementtejä yksisuuntaisissa ja kaksisuuntaisissa malleissa, joille on tunnusomaista korkea estojännite ja lumivyöryvaikutuksen käyttö (äkillinen sähkövirran kasvu, jonka estojännite käynnistää) erityisesti jännitteen vakauttamiseksi.

Ylijännitesuojadiodeja eli TVSdiodeja käytetään yleisesti herkillä alueilla, kuten tasavirtalähde-, turva- ja valvontajärjes-

Vishay Semiconductorsin TransZorb- ja PAR-TVS-diodit tarjoavat laajan valikoiman yksija kaksisuuntaisia napaisuus-

ETNdigi - 1/2021

Toisen haasteen oikean diodin valinnassa muodostaa jatkuvasti pienenevät piirien koot. Puolijohderakenteisiin kohdistetaan edelleen samoja jännitteitä, vaikka mitat ovat pienemmät.

Esimerkiksi eSMP-tyyppisillä (eSMP = parannetut pintaliitettävät tehokomponentit) ESD- ja TVS-diodeilla on erittäin matala kotelo (1 mm) ja korkea 200 watin purkauskapasiteetti 10/1000 mikrosekunnissa (määrittelee, kuinka kauan suojauspiiri kestää tehoa).

Yleensä seuraavat neljä parametria on otettava huomioon oikean diodin valinnassa: • impulssitehohäviö PPPM määritetyllä virtapulssin IPP:llä (esimerkiksi pulssimuoto 10 / 1000μs tai 8 / 20μs) • suurin estojännite VWM (= suojattavan piirin suurin käyttöjännite) • pienin päätejännite VBR (= noin 10% yli VWM-arvon • Suurin kiristysjännite VC. On tärkeää, että häiriöiden aikana esiintyvät jännitepiikit rajoitetaan

Page 23

lisäksi on tärkeää huomioida näkyvät IC-piirin sisääntulopisteet.

tähän arvoon. Lisäksi kaikkien piirin osien on kestettävä tämä kuorma.

Standardi kuvaa immuniteetit sekä ilmateitse tapahtuvassa kontaktissa (noin 15 kV) että suorassa kontaktissa (± 8 kV).

Vishayn SMF-diodit tarjoavat ESD-vakauden ± 30 kV (ilmateitse ja kontaktissa) ja siten erittäin luotettavan suojan ei-

toivotuilta purkauksilta.

Ns. IEC61000-4-2 8 kV aaltomuodossa on kaksi ominaisuutta: ensimmäisellä jännitepiikillä on hyvin lyhyt, 1 nanosekunnin nousuaika, mutta korkea virta-arvo. Siksi tarvitaan nopean reaktioajan ESDsuojadiodia. Lisäksi on aina toinen nousu, jossa on jopa 18 ampeerin virta.

Impulssitehohäviö TVS-diodeissa määritetään yleensä 10/1000 μs virtapulssilla. Tämä arvo on IPP:n ja VC:n tulo: PPPM = IPP * VC IEC-STANDARDI TAKAA LAADUN IEC eli kansainvälinen sähkötekninen komissio (International Electrotechnical Commission) määrittelee sähköisen purkauksen häiriönsietostandardin normissa 61000-4-2 ja sitä sovelletaan kuluttajalaitteiden komponentteihin. Ulkoisen ESDsuojauksen sekä itse piirin HBM mittausten (Human Body Model)

Viisi vinkkiä ESD-suojaukseen 1. Sijoita suojadiodi mahdollisimman lähelle ylijännitteen tulopistettä. Yleensä tämä on käyttöliittymä tai piirilevyjen välinen yhteys. Virtapolku suojadiodin läpi on pidettävä mahdollisimman lyhyenä parasiittisen induktanssin tai resistanssin minimoimiseksi.

Tämä estää myös ESD-pulssin kytkeytymisen läheisiin johdinlinjoihin.

Lisääntynyt induktiivisuus ja suurempi vastus piirijohtimissa auttavat vähentämään iskuenergiaa ja -jännitettä suojattavassa komponentissa.

2. Ylijännitevirran ohjaaminen ESD-suojauksen kautta.

4. Mitä vähemmän piirisilmukoita, sitä parempi. Tämä johtuu siitä,

Page 24

3. Sijoita herkät komponentit niin kauas kuin mahdollista tulosta ja diodista. Tämän ansiosta osan parasiittisesta resistanssista alentaa ESD-pulssin jännitepiikkiä ja tarjoaa siten lisäsuojaa.

että indusoidun jännitteen voimakkuus on verrannollinen piirisilmukan kokoon. Piirisilmukan indusoitu sähkö ympäröi muuttuvaa magneettivuota. Jos tämä johtuu sähköstaattisesta purkauksesta, indusoidun virran tai jännitteen äkillinen kasvava voimakkuus voi aiheuttaa vakavia vaurioita.

5. Panosta laatuun. Suojadiodien markkinoilla on monia malleja, joiden hinnoittelu vaihtelee suuresti.

ETNdigi - 1/2021

SMALLER STRONGER FASTER

BOOST YOUR SYSTEM EXTRA POWER THANKS TO ROHM SiC TECHNOLOGY Established, experienced, evolved: As a technology leader ROHM is shaping the power solutions of the future. Our advanced SiC technology boosts the performance of automotive power systems.

We produce SiC components in-house in a vertically integrated manufacturing system and thus guarantee the highest quality and constant supply of the market. Take the next development step with our latest SiC solutions.

SMALLER inverter designs reducing volume and weight

AUTOMOTIVE

ETNdigi - 1/2021

INDUSTRIAL

STRONGER performance by higher power densities

FASTER charging and efficient power conversion

www.rohm.com

Page 25

YKSI JA SAMA HILAOHJAIN

TEHOKYTKIMIL Vikneswaran Thayumanasamy ja Kevin Lenz, ROHM Semiconductor Europe

Sähköajoneuvojen ja teollisuuden tehojärjestelmien uusimmat kehitystrendit vaativat entistä korkeampia jännite- ja hyötysuhdelukemia, mutta lisäksi tarvitaan parempaa turvallisuutta. Eristetyt hilaohjaimet ovat tässä avainasemassa. Samalla hilaohjaimella on mahdollista ajaa sekä piikarbidi- että piipohjaisia MOSFET-tehokytkimiä.

Tehokytkimille tarkoitettujen hilaohjainten harvojen eristysvaihtoehtojen joukossa sydämettömän muuntajatekniikan viimeisimmät innovaatiot avaavat tietä pienikokoisille ja tehokkaille ohjaimille, jotka soveltuvat suurijännitteisiin järjestelmiin.

Tavanomaiset eristetyt hilaohjaustekniikat, kuten erillismuuntajat, optoeristimeen perustuvat ja kapasitiiviset ratkaisut, ovat käyttökelpoisia joissakin sovelluksissa, mutta niiden käyttö tuo haasteita teollisuuden ja sähköautojen uusimmille tehojärjestelmille.

Esimerkiksi erilliset muuntajat ovat kustannustehokkaita, mutta

Page 26

ne mahdollistavat vain yksisuuntaisen tiedonsiirron mikroohjaimelta tehoyksikölle eivätkä anna mahdollisuutta siirtää mikro-ohjaimelle takaisin informaatiota esimerkiksi lämpötilasta, ylivirrasta tai oikosulusta. Optoeristimien tapauksessa menettely taas kärsii käytettävän ledin kirkkauden hiipumisesta korkean lämpötilan tai ikääntymisen vuoksi, jolloin tarvitaan ajan mittaan suurempi tulovirta heikentymisen kompensoimiseksi.

Kapasitiivisesti toimivat hilaohjaimet puolestaan vaativat tulopuolelle sinimuotoi-sen signaalin lähdön kytkemi-seksi

johtavaan tilaan, mikä saattaa aiheuttaa häiriöitä langattomaan viestintään, kuten WiFiyhteyksiin.

SYDÄMETÖN MUUNTAJAERISTYS Sydämettömän muuntajan avulla toteutettuun eristykseen perustuvat hilaohjaimet sen sijaan eivät tuo mukanaan ainuttakaan niistä haasteista, joita muut eristetyt hilaohjaustekniikat joutuvat kohtaamaan. Lisäksi innovatiivisella suunnittelulla ne voivat tarjota lukuisia parannuksia järjestelmän ominaisuuksiin.

Markkinoilla on tarjolla erilaisia sydämettömään muuntajaan

ETNdigi - 1/2021

LLE

perustuvia toteutuksia, mutta ROHM:n kehittämä tekniikka perustuu kolmeen sisäiseen kerroslaattaan, joista matalajännitteinen osa tarjoaa piiyhteyden mikro-ohjaimeen tai DSP-piiriin ja suurijännitteinen osa ohjaa IGBT- tai MOSFETtransistoria. Muuntajan kuparikäämit on erotettu toisistaan piidioksidilaatalla, joka on erittäin vankka eriste. Sen sulamispiste on hyvin korkea ja muutkin ominaisuudet kuten

kvartsilla. Matalajännitteinen osa toimii 3,3 ja 5 voltin signaaleilla ja on siten yhteensopiva lukuisten 3,3 tai 5 voltin jännitteellä toimivien mikro-ohjainten ja DSPpiirien kanssa.

Toisin kuin optoeristimeen perustuvat hilaohjaimet, sydämetöntä muuntajaa hyödyntävät ohjaimet tarjoavat suhteellisen tasaiset päälle- ja poiskytkentäajat eri lämpötiloissa.

Sen sijaan optoeristinpohjaisilla

Kuva 1. Rohm-yhtiön tarjoaminen yksikanavaisten eristettyjen hilaohjaimien valikoima.

ETNdigi - 1/2021

hilaohjaimilla on taipumus muuttaa käyttäytymistään merkittävästi lämpötilan vaihdellessa niin, että päälle- ja poiskytkeytymisen ajat eroavat paljon enemmän. Tämä johtaa alenevaan hyötysuhteeseen pidempien kuolleiden jaksojen vuoksi.

YKSIKANAVAISET ERISTETYT HILAOHJAIMET Puolisiltamuodossa toimivan tehoyksikön ohjaamiseen tarvitaan kaksi kanavaa, yksi alapuolista ja toinen yläpuolista lohkoa varten. Kehittäjät ovat usein hämmentyneitä joutuessaan valitsemaan joko kompaktin kaksikanavaisen hilaohjainratkaisun tai kaksi yksikanavaista ohjainta piirilevysijoittelun helpottamiseksi.

ROHM tarjoaa laajan valikoiman molempiin vaihtoehtoihin.

Page 27

Yleensä yhtiö suosittelee yksikanavaisia ohjaimia (kuva 1, s.27) eri syistä. Koska kahden yksikanavaisen ohjaimen välistä etäisyyttä voidaan lisätä sijoittelun mukaisesti, kanavien välisen ylikuulumisen mahdollisuudet vähenevät. Tämä voi merkittävästi vähentää ulkoisten suodinelementtien tarvetta vahvan EMIsuojauksen toteuttamisessa.

Lisäksi kahden itsenäisen kanavan käyttö tarjoaa enemmän joustavuutta suunnitteluun, mikä

saattaa laitevaurion lisäksi johtaa jopa pienmuotoiseen räjähdykseen.

INTEGROITU TASOLUKITUS ESTÄÄ ITSEKÄYNNISTYKSEN Tyypillisissä puolisiltalaitteissa esiintyy hyvin äkillinen dv/dtnousu, vain kymmenissä nanosekunneissa nollasta 800 volttiin, kun alapuolinen osa kytketään pois päältä ja yläpuolinen osa on kytketty

Kuva 2. Ristiinjohtamisen estopiiri.

myös helpottaa osien sijoittelua vankan rakenteen luomiseksi.

XOR-FUNKTIO ERISTÄÄ RISTIINJOHTAMISEN Puolisiltamuotoisen hilaohjaimen XOR-tulojen ristikytkentä estää sekä alemman että ylemmän osan kytkeytymisen päälle samanaikaisesti. Tämä on sydämettömään muuntajaan perustuvien hilaohjaimien etu optoeristinversioihin nähden, sillä niillä se ei ole mahdollista. Ilman tätä ominaisuutta ohjain saattaa joutua tuhoisaan tilaan, jossa sekä ylä- että alapuolinen lohko ovat yhtaikaa päällä. Tämä

Page 28

alemman puolen nielujännitteeseen. Tämä on ongelmallista, koska alemman puolen sisäinen hila-nielu-kapasitanssi (Millerkapasitanssi) saattaa varautua ja synnyttää jännitetöyssyn, joka yltää 2 – 2,5 volttiin lähestyen alemman puolen hilan kynnysjännitettä.

Kuva 3 esittää syntyvää jännitehyppyä poiskytketyn puolen hilalla. Tämä saattaa johtaa niin sanottuun läpisyttymiseen (shoot through), jolloin puolisillan alapuolinen ja yläpuolinen osa kytkeytyvät kumpikin päälle samanaikaisesti. Mitä suurempi

on teholaitteen kytkentänopeus, sitä suurempi on Miller-virran amplitudi ja sitä suurempi on myös mahdollisuus laitteen itsekäynnistykseen.

Hilalle syötettävän negatiivisen katkaisujännitteen käyttäminen on yksi tapa estää tämä tapahtuma, samoin Millertasolukituksen käyttö. Koska negatiivisen syöttölähteen käyttöön liittyy lisäkustannuksia ja suunnittelun monimutkaisuutta, edullinen menetelmä monissa sovelluksissa on Miller-tasolukituksen hyödyntäminen. Millertasolukko on transistori, joka tarjoaa alhaisen resistanssin polun MOSFETin hilalta estäen näin korkean jännitteen syntymisen hilan ja nielun välille sillan alemmassa puoliskossa.

Kuvassa 3 nähdään myös mittaustulokset, kun tasolukitusta käytetään. Niistä nähdään selvästi, että jännitehyppäykset vaimennetaan ja näin estetään tehokytkimen itsekäynnistys.

Joissakin hilaohjaimissa Millertasolukitus on valmiiksi integroituna ja joissakin on tarjolla ohjausportti, jonka kautta voidaan ohjata tasolukituspiirin ulkopuolista MOSFETia. Kuvassa 4 nähdään ROHM-yhtiön hilaohjain BM61S41RFV-C, joka sisältää integroidun Millerlukituspiirin.

SIC-KYTKIN VAATII PAREMMAN ALIJÄNNITESUOJAN Alijännitesulku eli UVLO (undervoltage lockout) on yksi hilaohjainten perustason suojaustoiminnoista. Se valvoo syöttöjännitettä ja varmistaa, että vika tunnistetaan ja laitteen toiminta estetään välittömästi, kun jännitetaso laskee tietyn rajan alapuolelle. Tämä turvaa sen, että käytettävä tehopuolijohde ei tuhoudu ylikuumenemisen vuoksi.

ETNdigi - 1/2021

Kuva 3. ROHM:n hilaohjaimen BM61S41RFV-C mittaustulokset lukituspiirin kera ja ilman sitä.

Koska useimpia IGBT-pohjaisia laitteita käytetään 15 voltin käyttöjännitteellä, viime vuosina on esitelty paljon hilaohjaimia, joiden UVLO-rajat ovat noin 10-12 volttia. Useimmille piipohjaisille MOSFET-laitteille riittäisi UVLO-rajaksi 8-10 volttia.

Koska suurinta osaa piikarbidiin perustuvista SiC MOSFET kytkimistä tulisi kuitenkin käyttää suuremmilla hilajännitteillä parhaan hyötysuhteen varmistamiseksi, 10-13 voltin UVLO-taso ei tarjoa niille riittävää suojaa.

Rohm onkin kehittänyt sarjan hilaohjaimia, joilla on korkeammat UVLO-raja-arvot erityisesti tähän käyttöön.

Hilaohjaimien BM61S41RFV-C ja BM61S40RFV-C tarjoama UVLOraja on 14,5 volttia ja ne ovat myös yhteensopivia 8,5 voltin UVLO-rajan tarjoavan BM61M41RFV-C:n kanssa. Tämä nastayhteensopivuus antaa tehoasteiden suunnittelijoille mahdollisuuden suunnitella joustavasti samalle hilaohjaimelle sekä pii- että piikarbidipohjaisia MOSFET-ratkaisuja.

Kuva 4. Integroitu Miller-lukituspiiri.

se voi johtaa hallitsemattomiin oikosulkuihin tai lyhentää tehopuolijohteiden elinikää.

ROHM tarjoaa tähän hilaohjaimen BM61S40RFV-C, joka soveltuu ratkaisuihin, joissa tarvitaan poikkeavia turvaominaisuuksia.

Tämän ohjaimen ylijännitevalvonnan rajataso on 21,5 volttia, joten se mahdollistaa turvallisemman suunnittelun.

LUKUISIA ETUJA ROHM-yhtiön uusimmat sydämettömään muuntajaan perustuvat hilaohjaimet tarjoavat lukuisia ominaisuuksia ja suorituskykyetuja sähköajoneuvojen ja teollisuuden tehojärjestelmien sovelluksiin.

Korkean eristystason lisäksi ROHM:n nastayhteensopiva hilaohjainsarja BM61x4xRFV varmistaa lukuisten eri kohteiden turvallisuuden, järjestelmätason hyötysuhteen sekä tarjoaa joustavuutta ulkoisten latauslaitteiden, teollisuustason teholähteiden ja ajoneuvojen suunnitteluun: piirilevytason laturit, DC-DC-muuntimet, sähkökompressorit, lämmittimet jne.

Ajoneuvojen voimansiirron sovellukset saattavat vaatia lisätoiminnoin varustettuja vieläkin monimutkaisempia hilaohjaimia. Näitä ovat esimerkiksi ROHM:n ohjainpiirit BM60060FV-C ja BM6112FV-C.

YLIJÄNNITESUOJA KOVIIN TURVAVAATIMUKSIIN Suurin osa hilaohjaimista suojaa ohjattavat tehopuolijohteet alijännitteen tunnistuksella, mutta jättää huomiotta sen tosiasian, että syöttöjännite voi olla myös liian korkea. Noussut syöttöjännite on yhtä vaarallinen, koska

ETNdigi - 1/2021

Kuva 5. Piikarbidin ja IGBT:n asettamat UVLO-vaatimukset.

Page 29

ÄLYK EL SU

Eri teollisuusalojen valmistajat pyrkivät jatkuvasti huipputason suorituskykyyn omissa tuotteissaan ja yrittävät tasapainoilla uusien innovaatioiden sekä aiemmin toimiviksi todettujen vakaiden ratkaisujen välillä.

Suunnittelijoilla on haasteenaan tasapainottelu designin monimutkaisuuden, luotettavuuden ja kustannusten välillä.

Erityisesti yksi osa-alue, elektroniikan suojaus, hidastaa luonteensa vuoksi siirtymistä kohti uusia innovaatioita. Sen avulla on kyettävä suojelemaan kalliita elektronisia piirejä (FPGA, ASIC, mikroprosessorit), jotka eivät saa vikaantua.

Monet perinteiset ja historiallisesti toimiviksi todetut suojausmenetelmät – esimerkiksi diodit,

Page 30

sulakkeet ja TVS-komponentit – säilyvät yhä käyttökelpoisina, mutta ne ovat usein hyötysuhteeltaan kehnoja, suurikokoisia ja huoltoa vaativia.

Aktiiviset, älykkäät suojauspiirit ovat osoittaneet kykynsä vastata perinteisten menetelmien haasteisiin ja ovat lisäksi monin tavoin robus-timpia eli vankempia. Saatavilla olevien suojaus-välineiden laajan valikoiman vuoksi suunnittelijan hankalin pulma onkin ainoastaan valita kohteeseen sopivimmat ratkaisut.

Suunnittelijan valintojen helpottamiseksi tässä artikkelissa vertaillaan perinteisiä suojausmenetelmiä ADI:n kehittämien suojauspiirien valikoimaan.

Piirien ominaisuuksien esittelyn

lisäksi mukana on lukuisia esimerkkejä suojauspiireille ehdotetuista sovelluksista.

Useilla teollisuudenaloilla käytetään entistä enemmän elektroniikkaa ja arvokkaat FPGA-piirit ja prosessorit hoitavat entistä suuremman määrän toimintoja. Nämä tekijät ovat lisänneet tarvetta suojata laitteita ankarissa käyttöympäristöissä. Lisäksi kaivataan kompaktia rakennetta, korkeaa luotetta-vuutta sekä nopeaa reagointia ylijännite- ja ylivirtapiikkien tuottamiin ongelmiin.

Tässä artikkelissa käsitellään sovellusten usein kohtaamia haasteita ja sitä, miksi suojausta yleensä tarvitaan. Perinteisiä suojausmenetelmiä verrataan

ETNdigi - 1/2021

KÄS RATKAISU LEKTRONIIKAN UOJAAMISEEN Monet perinteiset ja historiallisesti toimiviksi todetut suojausmenetelmät – esimerkiksi diodit, sulakkeet ja TVS-komponentit – säilyttävät edelleen asemansa perustason ratkaisuna, mutta ne ovat usein hyötysuhteeltaan kehnoja, suurikokoisia ja huoltoa vaativia.

Aktiiviset, älykkäät suojauspiirit lupaavat enemmän.

Diarmúid Carey Analog Devices

uusiin vaihtoehtoisiin ratkaisuihin, jotka tarjoavat entistä parempaa tarkkuutta, luotettavuutta ja suunnittelun joustavuutta.

MIKSI SUOJAUSPIIREJÄ TARVITAAN? Ajoneuvojen, teollisuussovellusten, tietoliikenteen ja ilmailualan elektronisten järjestelmien on toimiessaan

kohdattava monenlaisia surgehäiriöitä, kuten kuvassa 1 on esitetty. Kullekin alalle on määritetty erilaisia transienttihäiriöitä lukuisissa teollisissa spesifikaatioissa. Esimerkiksi ajoneuvoissa esiintyvät transientit kuuluvat ISO 7637-2 ja ISO 16750-2 -määritysten piiriin. Niissä hahmotellaan sekä odotettavissa olevien häiriöiden yksityiskohdat että

testausmenettelyt, jotta voidaan varmistaa ilmiöiden johdonmukainen validointi.

Ylijännitetapahtumien eri tyypit ja niiden energiasisällöt voivat vaihdella riippuen ympäristöstä, jossa elektroniikkaa käytetään.

Virtapiirit voivat altistua ylijännitteelle, ylivirralle, käänteiselle jännitteelle ja käänteiselle virralle.

Itse asiassa monet elektroniset piirit tuhoutuisivat, jos ne joutuisivat suoraan alttiiksi kuvassa 1 esitetyille häiriöille. Siksi suunnittelijan on otettava huomioon kaikki tulopuolella mahdollisesti ilmenevät tapahtumat ja toteutettava suojausmekanismit, jotka varjelevat Kuva 1. Yleiskatsaus ISO 16750-2 määritysten raskaimmista testeistä.

ETNdigi - 1/2021

Page 31

piirejä näiltä jännite- ja virtapiikeiltä.

SUUNNITTELUN HAASTEET Elektronisissa järjestelmissä on monia eri syitä lyhytkestoisille jännite- ja virtapiikeille, mutta jotkut elektroniikan käyttöympäristöt ovat alttiimpia transienteille kuin toiset.

Ajoneuvojen, teollisuuden ja tietoliikennesovelluksissa esiintyy tunnetusti paljon potentiaalisesti haitallisia tapahtumia, jotka voivat vaurioittaa järjestelmään liitettyjä sähkölaitteita, mutta ylijännitetapahtumat eivät rajoitu vain näihin ympäristöihin.

Muita mahdollisia ylijännitesuojainten käyttökohteita ovat kaikki sovellukset, jotka edellyttävät suurijännitteistä tai -virtaista tehonsyöttöä tai sovellukset, jotka kytketään käyttölaitteisiin ’lennossa’. Samoin mahdollisia ovat erilaisia moottoreita sisältävät järjestelmät sekä sovellukset, jotka saattavat joutua alttiiksi salamoinnin aiheuttamille syöksyaalloille.

Suurijännitteisiä tapahtumia voi esiintyä eripituisilla aikaväleillä, mikrosekunneista satoihin millisekunteihin, joten joustava ja luotettava suojamekanismi on välttämätön kalliiden elektronisten laitteiden pitkäikäisyyden varmistamiseksi.

Esimerkiksi ajoneuvon sähköjärjestelmässä saattaa kuormituksen nopean muutoksen vuoksi esiintyä "load dump" -jännite-

Kuva 2. Perinteiset suojausvälineet.

piikki, kun laturi kytkeytyy hetkellisesti irti akusta.

Irtikytkennän seurauksena täysi latausvirta kohdistuu hetken ajan suoraan tehonsyöttölinjaan, mikä voi nostaa jännitteen erittäin korkealle (yli 100 voltin) tasolle satojen millisekuntien ajaksi.

Tietoliikennesovelluksissa voi olla useita mahdollisia syitä ylijännitteisiin, aina datansiirtokorttien ’lennossa’ vaihtamisesta ulkoisiin asennuksiin, jotka voivat altistua salamaniskuille. Induktiiviset jännitepiikit ovat mahdollisia myös pitkissä kaapeleissa, joita käytetään suurissa tiloissa.

Viime kädessä laitteen käyttöympäristön tulee olla oikein huomioitu suunnittelussa ja laitteen täyttää julkaistut spesifikaatiot. Tämä auttaa suunnittelijaa rakentamaan järjestelmälle optimaalisen suojauksen, joka on sekä robusti että huomaamaton, ja mahdol-listaa suojauksen takana olevien laitteiden sähköisen toiminnan turvallisten

Taulukko 1. Erityppisten TVS-komponenttien tyypillisiä vasteaikoja.

Page 32

jännitetasojen puitteissa ja mahdollisimman vähäisin keskeytyksin.

PERINTEISET SUOJAUSTAVAT Kun otetaan huomioon lukuisat erityyppiset sähköilmiöt, herää kysymys, mitä kaikkea suunnittelijan arsenaalissa tulee olla, jotta järjestelmään liitettyjä herkkiä elektroniikkalaitteita voidaan suojata tehokkaasti?

Perinteiset suojaustavat perustuvat useampaan kuin yhteen suojakomponenttiin.

Ylijännitesuojauksessa käytössä voi olla esimerkiksi lyhyitä jännitepiikkejä vaimentava TVSkomponentti (Transient Voltage Suppressor), ylivirtasuojaksi sijoitettu linjasulake, sarjadiodi napaisuudeltaan väärin kytketyn akun/teholähteen varalta sekä sekalainen valikoima kondensaattoreita ja keloja vähemmän energiaa sisältävien piikkien suodattamiseksi.

Vaikka nämä erilliskomponentteihin perustuvat kytkennät voivat täyttää laitteiden suojaamiseksi asetetut spesifikaatiot, ne johtavat kuitenkin monimutkaisiin toteutuksiin, jotka edellyttävät suunnitteluvaiheessa lukuisia iteraatiokierroksia oikeantasoisen suodatuksen aikaansaamiseksi.

Seuraavassa käydään lähemmin läpi näitä ratkaisuja ja tarkastellaan toteutusten etuja ja haittoja.

ETNdigi - 1/2021

Sulakeratkaisun yksinkertaisen suunnittelun tuomat aika- ja kustannussäästöt voivat kuitenkin tulla maksettaviksi myöhemmin suhteellisen monimutkaisen huollon vuoksi varsinkin silloin, kun sovellus sijaitsee fyysisesti hankalassa paikassa. Ylläpidon hankaluuksia voidaan keventää vaihtoehtoisilla sulaketyypeillä kuten palautuvilla sulakkeilla.

JÄNNITEPIIKKEJÄ VAIMENTAVA TVS TVS on suhteellisen yksinkertainen komponentti, joka auttaa suojaamaan järjestelmän elektroniikkapiirejä teholähteen syöttämiltä suurilta jännitepiikeiltä. TVS-komponentit voidaan luokitella useisiin eri tyyppeihin, joilla on laaja valikoima erilaisia ominai-suuksia (taulukkoon 1 on koottu eri tyyppejä vasteajan mukaan, pienimmästä suurimpaan).

Vaikka TVS-komponenteilla on erilaisia rakenteita ja ominaisuuksia runsaasti, kaikki ne toimivat samalla periaatteella: ylivirta johdetaan pois, kun jännite ylittää kohteen kynnysarvon. TVS lukitsee lähtöjännitteen nimellistasolle hyvin lyhyessä ajassa. Esimerkkinä TVS-diodi voi reagoida jopa pikosekunnissa siinä, missä kaasupurkausputki (GDT) taas vaatii toimiakseen muutaman mikrosekunnin, mutta se pystyy toisaalta käsittelemään paljon suurempia ylijännitteitä.

Kuva 3 esittää TVS-diodilla toteutetun yksinkertaisen suojauksen. Normaaleissa käyttöoloissa TVS:llä on suuri impedanssi, ja tulojännite yksinkertaisesti näkyy lähdössä sellaisenaan. Kun tulopuolella esiintyy ylijännitetilanne, TVS reagoi johtamalla ylimääräisen energian maatasoon (GND) ja vaimentaa näin perään sijoitetun kuorman jännitteen nimellistasolle.

Syöttölinjan jännite nousee tavanomaisen tason yläpuolelle, mutta se rajoitetaan arvoon, joka on turvallinen kaikille mahdollisille lähtöön liitetyille elektroniikkapiireille.

Vaikka TVS-komponentit vaimentavat tehokkaasti hyvinkin suuria jännitepoikkeamia, ne

ETNdigi - 1/2021

Kuva 3. Ylijännitesuojaus perinteisen TVS-ratkaisun avulla.

eivät ole immuuneja vaurioille kohdatessaan jatkuvasti ylijännitehäiriöitä, joten ne vaativat säännöllistä valvontaa ja vaihto-operaatioita. Toinen huolenaihe on se, että TVS voi vikaantua menemällä oikosulkuun ja näin oikosulkea koko syöttölinjan.

Lisäksi energiatasosta riippuen komponentit voivat olla fyysisesti liian suurikokoisia käytettävissä olevaan tilaan nähden ja siten kasvattaa kohderatkaisun fyysistä kokoa. Vaikka TVS olisi oikein mitoitettu, lähtöön liitettyjen elektroniikkapiirien on kyettävä käsittelemään vaimennettuja jännitepiikkejä, mikä taas johtaa korkeampiin jänniteluokituksen vaatimuksiin mukaan liitetyissä laitteissa.

Positiivisen lämpötilakertoimen ansiosta ne katkaisevat virtapiirin, kun tavallista suurempi virta kulkee sulakkeen läpi (kasvava virta nostaa lämpötilaa, mikä taas johtaa resistanssin jyrkkään nousuun).

Ylläpidon hankaluuksien ohella yksi sulakkeiden suurimmista ongelmista on niiden reaktioaika, joka voi vaihdella suuresti valitun sulaketyypin mukaan. Nopeita sulakkeita on tarjolla, mutta virran katkaisuun tarvittava aika

LINJASULAKE Ylivirtasuojaus voidaan toteuttaa käyttäen tavanomaista sulaketta, jonka virta-arvon tulee olla jonkin verran määritettyä maksimivirtaa korkeampi – esimerkiksi 20 prosenttia suurempi kuin järjestelmän suurin sallittu virta (prosenttiluku riippuu kytkennän tyypistä sekä odotettavissa olevista kuormituksista). Sulakkeiden suurin ongelma on tietysti se, että ne on vaihdettava palamisen jälkeen.

Kuva 4. Sarjadiodin lisääminen suojaa väärältä napaisuudelta, mutta diodin

voi silti vaihdella sadoista mikrosekunneista millisekunteihin, joten piirisuunnittelijan on otettava huomioon rektioajan kuluessa vapautuva energia ja varmistaa, että lähtöön liitetyt elektroniikkapiirit säilyvät ehjinä.

SARJADIODI Joissakin ympäristöissä piirit altistuvat virtalähteen toistuvalle

Page 33

irrottamiselle ja uudelleenkytkennälle – esimerkiksi paristo/ akkukäyttöisissä sovelluskohteissa. Tällaisissa tapauksissa jännitteen oikeaa polariteettia ei voida taata uudelleenkytkennän yhteydessä.

Oikean napaisuuden varmistaminen voidaan toteuttaa lisäämällä sarjadiodi virtapiirin positiiviseen syöttöjohtoon.

Vaikka tämä yksinkertainen lisäys on tehokas suojaamaan väärältä polariteetilta, sarjadiodin jännitehäviö johtaa vastaavaan tehohäviöön. Suhteellisen pienillä virroilla häviön merkitys on vähäinen, mutta monet nykyajan suurivirtaiset syöttöjärjestelmät tarvitsevat toisenlaisen ratkaisun.

Kuvassa 4 (s. 33) nähdään päivitetty versio kuvasta 3. Siinä TVS-komponentin lisäksi

syöttöön on lisätty sarjadiodi, joka suojaa järjestelmää jännitteen väärältä napaisuudelta.

SUOTIMIA KELOISTA JA KONDENSAATTOREISTA Tähän mennessä käsitellyt passiiviset suojausratkaisut rajoittavat läpikulkevien häiriöilmiöiden amplitudia, mutta yleensä ne saavat kiinni vain suuren luokan häiriöt ja päästävät pienemmät eteenpäin. Nämä pienemmät transienttipiikit voivat silti vahingoittaa suojauksen takana olevaa elektroniikkaa, joten syötön siistimiseen tarvitaan ylimääräisiä passiivisia suotimia.

Ne voidaan toteuttaa käyttäen erillisiä keloja ja kondensaattoreita, jotka on mitoitettava vaimentamaan epätoivotuilla taajuuksilla esiintyviä jännitteitä.

Kuva 5. Surge Stopper -suojauksen toteutus ja mittaustulokset.

Surge Stopper -piirien ominaisuudet Jotta sovellukseen voisi valita parhaiten sopivan suojainpiirin, on tiedettävä, mitkä ominaisuudet ovat käytettävissä ja mitä ongelmia ne auttavat ratkaisemaan.

Oikeat ratkaisut voi helposti löytää Analog Devicesin laatimasta parametritaulukosta.

Lähdön katkaisu vs. ride-through: Jotkut sovellukset vaativat lähdön katkaisua kokonaan tulosta, kun ylijännitepiikki ilmenee. Tällöin tarvitaan ylijännitteen katkaisu. Jos lähdön pitää kuitenkin pysyä toimintakykyisenä ylijännitetapahtumien aikana, mikä minimoi lähtöön liitettyjen elektroniikkalaitteiden seisokit, tarvitaan suojain, joka pysäyttää piikit mutta sallii virran kulun kytkimen läpi häiriöpiikin keston aikanakin (ridethrough). Tässä tapauksessa lineaarinen tai kytkintoiminen Surge Stopper -piiri voi hoitaa tämän toiminnon (edellyttäen, että tehotasot ovat kohtuullisia valitulle topologialle ja FETille).

Vika-ajastin: Läpikulkutoiminto vaatii, että MOSFET suojataan jotenkin jatkuvilta ylijännitteiltä. Jotta pysyttäisiin FETin turvallisen toiminnan SOA-alueella (safe operating area), voidaan hyödyntää ajastinta. Tällainen ajastin on periaatteessa maata vasten kytketty kondensaattori. Kun ylijännitetilanne ilmenee, piirin sisäinen virtalähde alkaa varata tätä ulkoista kondensaattoria. Kun kondensaattorin

Page 34

jännite saavuttaa tietyn kynnystason, piirin digitaalinen vikasignaali putoaa nollaan ilmaisten näin, että tehotransistori kytkeytyy pian pois päältä pidentyneen ylijännitetilanteen vuoksi. Jos ajastinnastan jännite jatkaa nousuaan yli toisen kynnysarvon, piirin GATE-signaali putoaa nollaan ja MOSFET kytkeytyy pois päältä.

Ajastintoiminnon jännitteen muutosnopeus vaihtelee MOSFETin jännitteen mukaan – tästä seuraa lyhyempi ajastus suuremmille jännitteille ja pidempi ajastus pienemmille jännitteille. Tämän hyödyllisen ominaisuuden avulla laitteen toiminta voi jatkua läpi lyhyiden ylijännitehäiriöiden yli ja mahdollistaa näin lähtöön liitettyjen elektroniikkapiirien säilymisen toimintakykyisinä. Samalla se suojaa samalla MOSFETia tuhoutumasta pitempien ylijännitejaksojen seurauksena. Joissakin piireissä on uudelleenkäynnis-tystoiminto, jonka avulla lähtö voidaan kytkeä uudelleen päälle jäähdytysjakson jälkeen.

Ylivirtasuojaus: Monilla Surge Stopper -piireillä on kyky valvoa virtaa ja suojata laitteita ylivirtatilanteilta. Tähän päästään tarkkailemalla jännitepudotusta sarjaan kytketyn virranmittausvastuksen yli ja reagoimalla sitten asianmukaisesti.

Myös käynnistyshetken syöksyvirtaa voidaan valvoa ja

ETNdigi - 1/2021

Suotimien suunnittelu vaatii aina ensin testaamista ja mittaamista oikeiden komponenttiarvojen ja taajuuksien määrittämiseksi.

Tämän menettelyn haittoja ovat materiaalikustannukset (BOM) ja lisääntynyt tilantarve. Ongelmana on myös ylisuunnittelun tarve: komponenttien toleranssit on mitoitettava korvaamaan myös kaikki käyttöajan ja lämpötilavaihtelujen tuomat muutokset.

AKTIIVINEN SURGE STOPPER -PIIRI Yksi keino välttää edellä kuvattujen suojausratkaisujen haasteet ja haitat on käyttää niiden sijaan ns. Surge Stopper piiriä. Se poistaa tarpeen käyttää suurikokoisia shunttiosia (TVS, sulakkeet, kelat, kondensaattorit) tarpeen hyödyntämällä helppokäyttöistä ohjainta ja N-kana-

vaista MOSFETia. Tällainen suojauspiiri yksinkertaistaa järjestelmän suunnittelua huomattavasti, koska mitoitettavaksi ja kvalifioitavaksi jää vain muutama komponentti.

Surge Stopper -piiri valvoo jatkuvasti tulojännitettä ja -virtaa.

Normaaleissa käyttöoloissa ohjainpiiri ajaa N-MOSFETin täysin johtavaksi ja tarjoaa näin pieniresistanssisen polun tulosta lähtöön. Ylijännitteen tai häiriöpiikin ilmetessä – lähdön takaisinkytkentäverkon saneleman kynnystason mukaisesti – piiri ajaa NMOSFETin hilan alas laskien lähtöjännitteen tasolle, joka on määrätty vastusjaolla.

Kuvassa 5 on esitetty yksinkertaistettu piirikaavio Surge

Stopper -ratkaisun toteutuksesta sekä mittaustulokset tulopuolelle syötetyn 100 voltin jännitepiikin vaimentamisesta tavanomaisella 12 voltin jännitelinjalla. Suojauspiirin lähtö leikataan 27 voltin tasolle ylijännitetapahtuman ajaksi. Jotkut suojainpiirit myös valvovat ylivirtatapahtumia sarjaan kytketyllä virranmittausvastuksella (merkitty "Circuit Breaker" kuvassa 5) ja säätävät N-MOSFETin hilan jännitettä rajoittaen kuormaan saatavissa olevaa virtaa.

Surge Stopper -piirejä on neljää eri tyyppiä, jotka luokitellaan riippuen niiden tavasta reagoida ylijännitetapahtumiin: • Lineaarinen ylijännitesuojain • Hilajännitteen tasolukitseva suojain

kestävät joissakin tapauksissa jopa 60 voltin tulojännitteitä alle maatason). Kuvassa 10 nähdään back-to-back MOSFETien kytkentä, joka on tarkoitettu käänteiseltä tulojännitteeltä suojautumiseen. Normaalin toiminnan aikana Q2 ja Q1 johtavat GATE-nastan ohjaamina, eikä transistorilla Q3 ole mitään vaikutusta. Kun käänteinen jännite ilmaantuu, Q3 kytkeytyy päälle, vetää Q2:n hilan alas negatiivisen tulon tasalle ja eristää transistorin Q1 suojaten näin lähtöä.

Käänteisen jännitteen suojaus voidaan saavuttaa myös robustilla piirin nastojen suojauksella, jolloin jopa 20 volttia alle maatason ulottuvat jännitteet ovat mahdollisia riippuen valitusta piiristä.

Kuva 10. Käänteisen tulon suojauspiiri LT4363. säätää MOSFETin suojelemiseksi. Reagointitapa voi olla samanlainen kuin ylijännitetilanteessa eli joko kytkemällä lähtö kokonaan irti tai rajoittamalla tehotransistorin läpi kulkevaa virtaa.

Suojaus käänteiseltä tulolta Suojaus käänteiseltä tulojännitteeltä on mahdollista Surge Stopper -piirien monipuolisten toimintojen ansiosta (piirit

ETNdigi - 1/2021

Laajaa tulojännitealuetta vaativissa sovelluksissa voidaan käyttää kelluvan rakenteen mukaista ylijännitesuojainta.

Yleensä ylijännitetilanteen sattuessa Surge Stopper -piiri näkee koko input-jännitteen, jolloin piirin sisällä käytetty prosessitekniikka rajoittavatI jännitealuetta, mitä kytkennälä voidaan suojata. Käytettäessä kelluvan LTC4366-piirin kaltaista ylijännitesuojainta, joka kelluu juuri lähtöjännitteen alapuolella, kytkentä mahdollistaa paljon laajemman tulojännitealueen.

Paluulinjaan (VSS) sijoitetaan vastus, joka antaa IC:n kellua syöttöjännitteen mukaan. Tuloksena saadaan tulojännitteen rajoitin, jonka asetukset määräytyvät ulkoisista komponenteista ja MOSFETin jännitekestosta.

Page 35

• Hakkuritoiminen ylijännitesuojain • Lähdön katkaiseva suojausohjain Surge Stopper -piirityypin valinta riippuu sovelluksesta, joten on syytä verrata niiden toimintaa ja etuja.

LINEAARINEN YLIJÄNNITESUOJAIN Lineaarinen ylijännitesuojain ohjaa sarjamuotoon kytkettyä MOSFETtehotransistoria aivan kuten lineaarinen säädin eli rajoittamalla lähtöjännitteen ennalta ohjelmoituun turvalliseen tasoon ja kulut-

Kuva 6. Lineaarinen ylijännitesuojain LT4363.

tamalla MOSFETissa ylimääräisen energian lämpönä. MOSFETin suojaamiseksi piiri rajoittaa suurihäviöisellä toiminta-alueella vietettyä aikaa kapasitiivisen vikaajastimen avulla.

tähän lukitustasoon. MOSFETin kynnysjännite määrittää siten lähdön jänniterajan. Esimerkiksi sisäisellä 31,5 voltin lukituksella ja 5 voltin MOSFET-kynnysjännitteellä lähtöjännite rajoitetaan 26,5 volttiin. Vaihtoehtoisesti ulkoinen säädettävä tasolukitus sallii vielä paljon laajemman jännitealueen valinnan. Esimerkki hilajännitteen lukitsevasta suojaimesta on esitetty kuvassa 7.

HAKKURITOIMINEN YLIJÄNNITESUOJAIN Suuritehoisissa sovelluksissa hakkuritoiminen suojainpiiri on hyvä valinta. Aivan kuten lineaariset ja hilalukitukseen perustuvat suojaimet, tämäkin piiri avaa normaalitoiminnassa FETin täysin johtavaksi tarjoten pieniresistanssisen polun tulosta lähtöön (minimoiden tehohäviön).

Tärkein ero hakkuritoimisen ja lineaarisen tai hilan tasolukitukseen perustuvan suojaimen välillä tulee esiin, kun jokin ylijännitetapahtuma ilmenee. Ylijännitepiikin ilmaantuessa suojainpiirin

HILAJÄNNITTEEN TASOLUKITSEVA SUOJAIN Hilajännitteen tasolukitukseen perustuva suojain toimii käyttämällä joko sisäistä tai ulkoista lukitusta (31,5 V tai 50 V sisäinen tai säädettävä ulkoinen lukitus) rajoittamaan hilanastan jännite

Kuva 8. Hakkuritoiminen ylijännitesuojain LTC7860.

lähtöjännite säädetään vaimennetulle tasolle kytkemällä ulkoista MOSFETia samaan tapaan kuin tavallisesti kytketään DC-DCmuunninta.

LÄHDÖN KATKAISEVA SUOJAUSOHJAIN Kuva 7. Hilajännitteen lukitseva suojainpiiri LTC4380.

Page 36

Tämä suojausohjain ei ole varsinainen ylijännitesuojain,

mutta se pysäyttää silti ylijännitepiikit. Ylijännitesuojaimen tapaan se valvoo ylijännite- ja ylivirtatilanteita, mutta vaimennuksen tai reguloinnin sijaan se kytkee lähdön kokonaan irti liitettyjen elektroniikkapiirien suojelemiseksi.

Tämä yksinkertainen suojauspiiri voidaan sijoittaa hyvin pieneen tilaan, joten se soveltuu mainiosti akku/paristokäyttöisiin kannettaviin sovelluksiin. Kuvassa 9 nähdään tämä LTC4368-piiri yksinkertaistettuna kaaviona sekä kuvaaja, joka esittää piirin reagoinnin ylijännitetapahtumaan.

Suojausohjaimesta on saatavissa useita eri variantteja.

Suojausohjain toimii valvomalla tulojännitettä ja varmistaa, että se pysyy jänniteikkunassa, joka on vastusjaolla konfiguroitu nastoille OV/UV. Piiri katkaisee lähdön back-to-back -kytkettyjen MOSFETien avulla silloin, kun tulojännite on määritellyn jänniteikkunan ulkopuolella, kuten kuvasta 9 nähdään.

Back-to-back -MOSFETit pystyvät suojaamaan järjestelmää myös käänteiseltä tulojännitteeltä.

Lähtöön sijoitettu virranmittausvastus tarkkailee jatkuvasti myötäsuuntaista virtaa suojaten ylivirralta, kuitenkin ilman ajastinpohjaista läpikulkutoimintoa (ride-through).

OIKEAN PIIRIN VALINTA Surge Stopper -piirien käyttö yksinkertaistaa monin tavoin suojauskytkennän suunnittelua niiden luonnostaan robustin rakenteen vuoksi. Piirien datalehdet voivat auttaa suuresti komponenttien mitoituksessa, sillä lukuisat mahdolliset sovellusratkaisut on niissä jo esitetty. Vaikein vaihe on valita kuhunkin kohteeseen sopivin piiri.

Vaihtoehtojen valikoimaa voi kaventaa seuraavasti:

ETNdigi - 1/2021

• Siirry ADI:n suojainperheen parametritaulukkoon.

• Valitse tulojännitealue.

• Valitse kanavien määrä.

• Suodata ominaisuuksia vaihtoehtojen vähentämiseksi.

Kuten kaikkien tuotteiden valinnoissa, on tärkeää ymmärtää järjestelmälle asetetut vaatimukset ennen oikean piirityypin etsimistä. Tärkeitä näkökohtia ovat odotettavissa oleva syöttöjännite ja lähtöön liitettyjen elektroniikkapiirien jännitetoleranssit (tärkeä tekijä tasolukitetun jännitteen suuruuden päättämiseksi) sekä suunnittelun kannalta tärkeät erityispiirteet.

JOHTOPÄÄTÖS

Kuva 9. Lähdön katkaiseva suojausohjain LTC4368 ja reagointia

Toteutetun ylijännitesuojauksen tyypistä riippumatta aktiiviset ICpohjaiset suojaimet poistavat tarpeen käyttää suuria TVS-

diodeja tai kookkaita keloja ja kondensaattoreita suotimia varten. Tämä johtaa pintaalaltaan pienempään ja profiililtaan matalampaan ratkaisuun.

Lähtöjännitteen tasolukituksella päästään parempaan (1-2 %) tarkkuuteen kuin TVS-komponenteilla. Tämä poistaa ylisuunnittelun tarpeen ja tarjoaa mahdollisuuden liittää järjestelmään niukemman toleranssin omaavia laitteita.

ADI:n suojainpiirien avulla suunnittelijat voivat toteuttaa luotettavan, joustavan ja kompaktin suojausratkaisun järjestelmään liitettäville elektroniikkalaitteille, etenkin niille laitteille, jotka kohtaavat ankaria ylijännite- ja ylivirtatilanteita teollisuuden, autonvalmistuksen, ilmailun ja tietoliikenteen sovelluskohteissa.

THE NEW COOL: 1000 WATT AC/DC POWER WITHOUT FAN

RACM1200-V THE MAINTENANCE-FREE POWER SUPPLY WITH CONTACT COOLING FOR HARSH ENVIRONMENTS ▪ 9.0” x 3.8” footprint, just 1.6“ height

▪ Operating temperature: -40° to +80°C

▪ Operating input: 85-264VAC

▪ Operation mode indicator LED

▪ DC Output: 24-28V/50A or 48-56V/25A

▪ Medical, industrial, and ITE safety certified

▪ 1000W continuous, 1200W boost power ▪ Analog and digital control and monitoring

▪ 2 MOPP insulation system, suitable for BF type applications

▪ 5VSB AUX and adjustable 5-12VDC fan output

▪ Built-in Class B EMI filter

WE POWER YOUR PRODUCTS

r e c o m - p o w e r. c o m / 1 2 0 0 - V ETNdigi - 1/2021

Page 37

SiC ja GaN

TUOVAT TEHO MUUNNOKSIIN Energian käyttö ja sen muuntaminen energialähteestä lopulliseen käyttöön soveltuvaksi ovat olleet kehitystyön kohteina niistä ajoista lähtien, jolloin hevosvoimalla ymmärrettiin nimensä mukaista voimaa ja auran muotoilulla oli olennainen merkitys siinä, kuinka kauan viljelysmaan kyntäminen kesti.

Nyttemmin ajatellaan enemmän sähköenergiaa ja tehon muuntamista generaattorin lähdön jännitteestä käyttösovelluksen lopulliseksi jännitteeksi oli kyse sitten proses-soriin tarkoitettua 0,6 V:n tasa-sähköä, teollisuuden moottorin-ohjaukseen tarkoitettua 24 V:n tasasähköstä 500 V:n vaihtosähköön olevaa sähköä tai

sähköauton lataamiseen tarkoitettua 400 V:n tasasähköä.

Muunnosprosessissa hyödynnetään poikkeuksetta tehopuolijohteita, joista piipohjaiset kanavatransistorit eli MOSFETit ja IGBT:t eli eristehilabipolaaritransistorit ovat olleet suosituimpia vuosikymmenien ajan.

Näissä kytkimissä häviöt ovat olleet merkittävin järjestelmän hyötysuhdetta alentava tekijä, ja se korostuu, koska nykyisin tehohäviöiden vähentämisestä on tullut keskeinen asia käyttökustannusten ja ympäristötaakan pienentämisessä.

Viime vuosina piille on tullut vaihtoehtoisia toteutettavissa

Kuva 1: Si-, SiC- ja GaNmateriaalien välisiä eroja.

olevia materiaaleja kuten piikarbidi SiC ja galliumnitridi GaN, joissa on tehomuunnoksen hyötysuhdetta parantavia ominaisuuksia. Nämä laajan kaistaeron (wide bandgap) piirit eivät kuitenkaan ole sellai-senaan suoraan käyttökelpoisia piipiirien tilalla, vaan sovelluksissa käytettävät piirit on sovitettava haluttuihin suunnitteluihin sopiviksi, etenkin jos halutaan saada käyttöön kaikki täyden suorituskyvyn edut. Kuvassa 1 kuvataan materiaalien välisiä merkittävimpiä eroavuuksia.

JOHTUMISHÄVIÖT IGBT:llä on pienin kollektorista emitteriin oleva johtavuustilan kyllästymisjännite, joka yhdessä kollektorivirran kanssa määrittää johtumisesta aiheutuvat häviöt.

Pii-MOSFETeillä on johtavuustilan resistanssi, joten tehohäviö on I.R(ON), mikä voi nousta kohtuuttomaksi suurilla virta-arvoilla.

Kuitenkin pienillä jännitteillä ja pienillä keskitehoilla alhaisen johtavuustilan resistanssin R(ON) omaavien pii-MOSFETtien johtumishäviöt voivat olla pienemmät kuin IGBT:llä.

SiC- ja GaN-piirien kriittiset läpilyöntijännitteet ovat paljon

Page 38

ETNdigi - 1/2021

N

OA N

Milan Ivkovic EBV

Tehomuunnoksissa hyötysuhteella on suuri merkitys tänä päivänä, sillä jokaisen hukatun watin katsotaan osaltaan lisäävän ilmaston lämpenemistä ja loppukäyttäjän käyttökustannuksia. Tehomuuntimien perinteinen piipohjaisiin puolijohteisiin perustuva teknologia on saavuttanut suorituskyvyn osalta vakiintuneen tasonsa. Uudet laajan kaistaeron teknologiat, jotka perustuvat piikarbidiin ja galliumnitridiin, ovat osoittautumassa hyötysuhteeltaan paremmiksi.

suuremmat kuin piipiireillä, jolloin drift- eli ajautumiskerros voi olla ohuempi ja seostuspitoisuus sakeampi. Tästä johtuen sirupinta-alan johtavuustilan resistanssi ja nimellisjännite pienenevät ja tuloksena on pienemmät johtumishäviöt.

Lisäksi SiC:n lämpöjohtavuus on yli kolme kertaa parempi kuin piillä, joten pinta-alaltaan pienempää sirua voidaan käyttää saman lämpötilan nousun aikaansaamiseksi. Joka tapauksessa SiC:lla ja GaN:llä ovat mahdollisia paljon piitä suuremmat toimintalämpötilat, mikä parantaa niiden kuormituksen kestävyyttä.

KYTKENTÄHÄVIÖT Suuri muuntimen kytkentätaajuus mahdollistaa, että muut tarvittavat komponentit kuten magneetit voivat olla pienempiä ja saadaan säästöjä koon, painon ja kustannusten osalta. Kaikkien piirien kytkentähäviöt kasvavat kuitenkin suoraan taajuuden mukaan. IGBT-piirejä käytetään harvoin yli 20 kHz:n taajuuksilla, koska tehohäviöitä syntyy ’häntävirroista’, joita tarvitaan kytkentäsuojapiireissä ja suurten piirikapasitanssien varaamisessa ETNdigi - 1/2021

ja purkamisessa. Pii-MOSFETit voivat kytkeytyä satojen kilohertsien taajuuksilla, mutta lähtökapasitanssiin kulkevan virran energiahäviö EOSS muodostuu rajoittavaksi tekijäksi, kun taajuus kasvaa. SiC:lla ja GaN:llä on kuitenkin paljon piitä suurempi elektronien kyllästymisnopeus ja paljon pienemmät kapasitanssit, joten ne voivat kytkeytyä paljon nopeammin pienemmillä häviöillä.

estosuuntainen, mutta hila ei ole vielä kytketty johtotilaan, aiheuttaa sen, että sisäinen diodi ei johda tuona aikana. Seurauksena on merkittävä tehohäviö suhteellisen suuren päästöjännitteen muutoksen vuoksi.

GaN-kytkimet koostuvat suuren elektroniliikkuvuuden omaavista HEMT-transistoreista eikä niissä ole sisäisiä diodeja. Vaikka niiden kanavat voivat MOSFETtien

Merkitystä on myös sillä, miten piirit käyttäytyvät ’kolmannessa kvadrantissa’ johtavuuskanavan ollessa estosuuntainen, kuten tapahtuu esimerkiksi moottorikäyttöjen nopeassa kytkennässä (hard switching) ja invertterin kommutoidessa (kuva 2). Koska IGBT:t eivät johda estosuunnassa, tarvitaan vastakkaissuuntainen diodi, jonka tulee olla tyypiltään nopeasti palautuva pienillä jännitemuutoksilla.

Kuva 2: Nopean kytkennän synkronoitu jännitettä laskeva hakkuri pakottaa sisäisen diodin D johtamaan kuolleen ajan aikana.

Vaikka pii- ja SiC-MOSFETtien sisäiset diodit ovat luontaisesti nopeita, niiden kanavat voivat johtaa myös estosuuntaisesti vähin häviöin ja ilman estosuuntaista palautumisilmiötä, kun niiden hilat kytketään johtamaan. Kuitenkin jokainen ’kuollut aika’, jolloin kanava on

tavoin johtaa estosuunnassa, myös niissä tapahtuu sisäisen diodin aiheuttama ilmiö kanavassa jokaisen kuolleen ajan aikana, jolloin jännitteen muutos on suunnilleen saman suuruinen hilan noin 2V:n kynnysjännitteen kanssa. Tämän seurauksena voi Page 39

olla jälleen häviöitä, ellei kanava ole aktiivisesti kytketty johtotilaan.

KÄYTÄNNÖN TOTEUTUKSIA Kytkentäteknologian valinnassa olennainen asia on toimintajännite. Suuritehoiselle piiMOSFETille se on suurimmillaan noin 950 V, GaN-HEMT:ille noin 600 V ja SiC-MOSFETille noin 1700 V. IGBT:llä on yhä vankka asema erittäin suurilla jännitteillä, vaikkakin MOSFETeistä voidaan kokoonpanna joitakin topologioita, joilla saadaan pienennettyä jänniterasitusta. Kun ylijännitteen vaara on olemassa, IGBTeitä ja MOSFETtejä suojaa vyörypurkaustila erilaisilla

Kuva 3: Negatiivinen hilaohjaus vähentää Miller-kapasitanssin ilmiön ja lähdeinduktanssien häiriöpiikkien vaikutusta.

Page 40

piireistä riippuvaisilla jännitearvoilla. GaN HEMT:llä ei ole suojaavaa vyörypurkaustilaa, joten ne rikkoutuvat vakavin seurauksin ylijänniterasituksessa.

Tästä syystä GaN-piirien valmistajat haluavat varmistaa, että datalehdessä annetun jännitearvon ja absoluuttisen suurimman jännitteen välinen marginaali on riittävän iso.

Paras mahdollinen hilaohjausjärjestely on hyvin erilainen eri piiriteknologioiden välillä. IGBT:llä on eristetyt hilat ja tarvitaan suuri kokonaisvaraus riittävän ohjaustehon aikaansaamiseksi. Tämä skaalautuu suoraan hilajännitteen ja taajuuden vaihteluihin: suurimmat piirit kuluttavat useita watteja realistisilla kytkentätaajuuksilla.

Pii-MOSFETtien hilavaraukset ja ohjaustehon vaati-mukset ovat paljon pienempiä ja IGBT:een tavoin niiden hilan kynnysjännite on 10 V:n luokkaa enimmillään.

Absoluuttinen suurin hilajännite on tyypillisesti +/- 25 V. Hila ohjataan usein negatiiviseen jännitteeseen aina noin -12 volttiin saakka piirin kytkemiseksi pois päältä. Tämä on tarkoitettu kompensoimaan Millerin kapasitanssin ilmiötä ja mitä tahansa lähde- tai emitteriliitännässä vaikuttavaa yhteisinduktanssia, joilla kummallakin on taipumusta tuottaa häiriöitä päältä pois – eli OFFkytkentätilassa hilan ohjausta

häiritsemään (kuva 3).

SiC:lla ja erityisesti GaN:llä on hyvin alhainen kokonaishilavaraus ja merkityksettömät ohjaustehovaatimukset. Täyden suoritustehon saavuttamiseksi SiC-hiloja täytyy ohjata kuitenkin lähes 20 V:lla, mikä lähentelee tyypillistä absoluuttista maksimiarvoa +25 V. Suojaavia rajoitusdiodeja käytetään tällöin usein ehkäisemään jänniterasituksia.

GaN HEMT -transistorit ovat itse asiassa virtaohjattuja jännitteen ollessa noin 3 V tuottaen muutaman milliampeerin virran, joka tarvitaan piirin päälle kytkemiseksi. Jännite vaihtelee voimakkaasti lämpötilan ja nieluvirran mukaisesti eikä sitä siten ole spesifioitu normaaliksi kynnysjännitteeksi VTH. Suurin hilavirta on siksi määritelty - mitattuna kymmenissä milliampeereissa vaikkakin ampeerien pulssivirrat ovat sallittuja riippuen pulssinleveydestä ja toistonopeudesta.

Sekä SiC että GaN saattavat kärsiä ’haamukytkeytymisistä’, joihin ovat syynä luontaiset erittäin suuret di/dt- ja dV/dttasot. Tämän takia muuta-man voltin negatiivista hilaohjausta käytetään usein piirin pois päältä kytkemiseen. Erityisesti GaNpiirien yhteydessä on otettava huomioon riskit, joita saattaa aiheutua niiden matalasta tehollisesta kynnysjännitteestä ja ETNdigi - 1/2021

nopeimmasta dV/dt-tasosta.

Piirivalmistajat varustavat kuitenkin yleensä SiC- ja GaNpiirinsä lähteeseen liitettävillä ’Kelvin’-liitännöillä, jolloin hilaohjaussilmukka saadaan tehokkaasti eristetyksi päävirtareitistä ja mainittu riski pienenee tai poistuu kokonaan. GaN HEMT hilojen ohjaaminen negatiiviseksi voi myös aiheuttaa ongelmia, sillä jännite suoraan lisää piirin sisäisten diodien tehon pudotusta, jos kanava johtaa estosuunnassa kuolleen ajan aikana, ja tällöin häviöt lisääntyvät.

SiC- ja GaN-piirien hilaohjaukset sisältävät tyypillisesti ylimääräisiä sarjavastuksia, jotka harkitusti hidastavat kytkennän reunanopeuksia kompromissina EMIhäiriöiden ja suorituskyvyn välillä.

Piirit, joissa käytetään erillisiä vastuksia ON- ja OFF-kytkennän ohjausta varten, ovat yleisesti käytettyjä ja toteutettu ohjausdiodeilla.

PIIRIEN SOVELLUKSIA SiC on nyt yleisesti käytössä tehosovelluksissa 650-1700 V:n nimellisarvoilla sovitettuna yleisiin yksi- ja kolmivaiheisiin teollisiin ja invertterisovelluksiin. Piirit ovat kestäviksi todettuja ja uusimpiin ohjainpiireihin ja tekniikoihin soveltuvina ovat lisäämässä suosiotaan laajasti. SiC-piirejä voidaan sovittaa myös joihinkin jo ETNdigi - 1/2021

Kuva 4: SiC ja GaN soveltuvat käytettäväksi monissa paikoissa tyypillisessä tehomuuntimessa.

olemassa oleviin pii-MOSFETtejä käyttäviin sovelluksiin tai jopa IGBT-sovelluksiin tekemällä joitakin modifiointeja ohjaustekniikkaan ja kytkentäsuojapiireihin. Kokonaan uusissa suunnitteluissa voidaan hyödyntää suurempia kytkentätaajuuksia ja käyttää asianmukaisia layouteja, jolloin etua saadaan kun voidaan käyttää pienempiä magneettisia komponentteja.

GaN-piireille avautuu käyttömahdollisuuksia teholähteissä, joissa GaN-piirit tarjoavat parhaimman hyötysuhteen pienen jännitteen sovelluksissa.

Tällaisia ovat esimerkiksi aurinkopaneelien invertterit, tietoliikenteen DC-DC-muuntimet, luokan D audiovahvistimet ja yksivaiheiset AC-teholähteet.

Ohjaustasojen herkkyyteen liittyvät huolet on ratkaistu kaskadikytkennöillä, jolloin hilaominaisuudet ovat samanlaiset kuin perinteisillä, piipohjaisilla MOSFETeillä.

Alun epäilyjen jälkeen piirien luotettavuus on parantunut, sillä teknologia on nyt osoittautunut valmiiksi ja vioittumismekanismit on saatu selvitettyä ymmärrettäviksi. Nyt suunniteltavat piirit

ovat varmatoimisia ja ottavat huomioon absoluuttiset suurimmat nimellisarvot.

GaN:lle asetettavat nimellisjännitteet kasvavat joka tapauksessa tulevaisuudessa, joten enenevässä määrin ne tulevat kilpailemaan SiC- ja piiMOSFETtien kanssa 900-1000 V:n alueella, mikä on tärkein sovellusalue teollisuuden DCjännitetasoilla ja sähköautojen suuremmilla akkujännitteillä.

Piikarbidi- ja galliumnnitridi ovat käyttökelpoisia tyypillisen tehomuuntimen kaikilla piiriasteilla alkaen toteeminapaisen tasasuuntaajan PFC-asteesta invertterin pääasteen kautta synkronoituihin lähtötasasuuntaajiin (kuva 4).

LUVASSA ISOJA HYÖTYJÄ SiC ja GaN ovat nykyisin valtavirtaa ja yleistyvät erilaisissa erinomaista hyötysuhdetta edellyttävissä sovelluksissa.

Niiden erityislaatuisten ominaisuuksien hyötyjen esiin saaminen vaatii jonkin verran paneutumista, mutta pienemmät häviöt, koot, pienempi paino ja edullisempi hinta painavat vaakakupissa enemmän. Myös ympäristövaikutukset jäävät pienemmiksi.

Page 41

1200 W TEH VAATIVIIN KOHTEISIIN RECOM kehitti RACM1200-Vteholähdemoduulin Itävallassa ja valmistaa sitä Euroopassa, mikä edistää kestävää kehitystä, kun kuljetusreitit ja toimitusketjut lyhenevät.

Hyvä esimerkki yli kilowatin teholähteitä tarvitsevista kohteista on robotti. Niitä käytetään laajasti teollisuudessa, mutta yhä enemmän myös lääketieteen sovelluksissa. Avustaessaan kirurgia robotin on kyettävä siirtymään täsmälleen haluttuun asentoon ilman tärinää. Sen vuoksi roboteissa käytetään jäykkiä varsia, joita liikutetaan

suureen vääntömomenttiin yltävillä askelmoottoreilla.

Moottorien tehonkulutus on tästä syystä hyvin suuri.

Jo pelkästään hygieniasyistä tuulettimet ovat kiellettyjä leikkaussaleissa, joten teholähdeyksikkö on jäähdytettävä pohjalevyn kautta. Lisäksi sen on täytettävä teollisuuskäyttöä tiukemmat eristysvaati-mukset: IEC/EN tai ANSI/AAMI 60601-1 (3. versio). Lääketieteelliseen käyttöön sertifi-oitua teholähdettä voidaan käyttää teollisissa sovelluksissa – mutta ei päinvastoin.

Kuva 1. Lääketieteelliseen käyttöön suunniteltu avustajarobotti eli cobot.

Page 42

Jos teholähde syöttää käyttötehoa laitteelle, jota käytetään suoraan potilaiden hoitoon, siinä on oltava kaksoiseristys ja kaksinkertaiset eristevälit. Sen on täytettävä ns. 2xMOPP-eristysvaatimukset. ”Turvallinen vaihtoehto on ainoa vaihtoehto” on periaate, jota RECOM on soveltanut myös RACM1200-V:n suunnittelussa. Teholähde on valmiiksi käynyt läpi kaikki lääketieteelliseen käyttöön tarvittavat hyväksyntätestit.

RACM1200-V toimii laajalla tehoalueella ilman tuuletinta ja asettaa pienikokoisena yksikkönä tämän sovellusalueen teholähteille uuden mittatikun. Erikoisrakenteinen pohjalevy hoitaa lämmön poisjohtamisen aina 1000 watin jatkuvaan tehoon asti.

Laitteen kaksi lisälähtöä korvaavat ylimääräisten teholähteiden tarpeen monissa sovelluksissa.

Toinen lähtö on säädettävissä välillä 5 – 12 V ja se voi hoitaa esimerkiksi erillisen tuulettimen tehonsyötön. Toinen lähtö pystyy syöttämään 5V/1A ja toimii myös teholähteen valmiustilassa.

Verkkojännitteen ja lähtöjännitteiden välinen korkea 4 kV (AC) eristyskyky sallii teholähteen käyttämisen miltei kaikissa

ETNdigi - 1/2021

HOA Milan Ivkovic EBV

Tehomuuntimien valmistajana tunnettu RECOM on esitellyt 1,2 kilowatin teholähteen RACM1200-V. Teollisuuskohteiden lisäksi tällä AC/DCmuuntimella on kaikki tarvittavat hyväksynnät lääketieteellisiin sovelluksiin.

sovelluskohteissa, joissa teholähteitä yleensä tarvitaan.

Tavanomaisia kohteita voivat olla esimerkiksi laturit ja ledivalojärjestelmät, mutta tehoa voidaan syöttää myös laserlaitteille, analyysilaitteille, suurtaajuuslaitteille ja roboteille.

Erityisen vaativia käyttökohteita ovat sairaalalaitteet, kuten potilassängyt ja -tuolit, aina potilaaseen suoraan liitettäviin lääkintälaitteisiin asti. Tämän alueen laitteiden kehittäjillä on näin käytettävissään teholähde, joka täyttää jo valmiiksi kaikki laitteille asetetut vaatimukset.

Vaikka IEC 60601-1 -sertifioitu teholähde ei vielä takaa kyseisen standardin täyttämistä koko laitteen osalta, se on kuitenkin perusedellytys. Tämä on erittäin hyödyllistä lopputuotteen sujuvan sertifiointiprosessin kannalta ja säästää kehityskustannuksia.

Muuntimet on suunniteltu varmistamaan potilaiden turvaamiseen vaadittu 2xMOPP -eristys (Means of Patient Protection).

Nämä potilassuojauksen toimenpiteet yhdessä alhaisten vuotovirtojen kanssa takaavat, että turvastandardit voidaan täyttää.

Signaalilähtöjen ja 5 voltin lähdön

ETNdigi - 1/2021

eristyskestoisuus verkkojännitteeseen nähden on 1,5 kV (AC).

Teholähteissä on sisäänrakennettu EMC-suodatus, joka takaa riittävän (Class B) vaimennuksen säteileville ja johtuville häiriöille.

Laitesarja täyttää teollisuussovellusten, tietotekniikkatuotteiden ja lääkinnällisten laitteiden kansainväliset suojausnormit.

Yksi 1200 watin AC/DC-muunnin riittää useisiin sovelluksiin ja voi korvata edullisesti monta pienempää muunninta. Yhden suuritehoisen AC/DC-muuntimen antama käyttöteho on suurempi kuin useiden pienempien muuntimien yhdessä. Jokaisella teholähteellä on sisäinen tehonkulutus, joka halutaan pitää mahdollisimman pienenä.

Jos räkissä on esimerkiksi kaksitoista 100 watin teholähdettä, joista kullakin on kahden watin sisäinen kulutus, kokonaishäviöt ovat yhteensä 24 W. Siihen verrattuna yhdellä isolla muuntimella on vain 2 watin tehohäviö.

Jos laitteisto on jatkuvassa käytössä, energiaa voidaan säästää 200 kWh vuodessa.

RACM1200:n tehonkulutus ilman kuormaa on 0,75 W. Se täyttää hyötysuhteen osalta 80 Plus

Michael Schrutka RECOM Power

Platinum -sertifikaatin ja Ecodesign Lot 6 -direktiivin vaatimukset.

Tulojännitealue on 85 – 264 VAC. Pieneen metallikoteloon (102 x 229 x 40 mm) pakattu teholähde antaa 1000 watin jatkuvan lähtötehon pelkällä kontaktijäähdytyksellä. 10 sekunnin ajan lähtöteho voi olla jopa 1200 W. Täyteen 1200 watin jatkuvaan tehoon tarvitaan kuitenkin tuuletin, joka puhaltaa ilmaa kotelon läpi 2,5 metrin sekuntinopeudella.

Kuva 5. RACMxx on sarja lääketieteellisesti sertifioituja teholähteitä, laitteiden tehot vasemmalta oikealle: 230 W, 550 W ja 1200 W.

Tuuletin on käyttäjän ohjattavissa. Tätä tarkoitusta varten mukana on säädettävä lisälähtö, joka mahdollistaa lämmönhallinnan säätämisen.

Page 43

Kuva 2. Hyötysuhteen kuvaajat.

Kuva 3. Tehokertoimen kuvaajat.

RACM1200-V TÄRKEIMMÄT OMINAISUUDET Lähtöteho: 1000 wattia +40°C lämpötilassa ja 230 voltin tulojännitteellä, 1200 wattia lyhytkestoisille huippukuormille tai jatkuvana tuulettimen kera.

Lisälähtö: 5V/1A, eristetty Valmiustilan tehonkulutus: <1 W (eco-design) Etäohjaus päälle/pois: TTL-tulo

Laitteen mitat (liitännät mukana): 228,0 x 96,2 x 40,0 mm, muiden valmistajien tuotteissa liitäntäalueet sijaitsevat kotelon ulkopuolella suojaamattomina.

PSU toimii: Avoin kollektori -lähtönasta; teholähde toimii, lähtöjännite ok, lämpötila hyväksyttävällä alueella, ei sisäisiä virheitä. Takaa turvallisuuden, luotettavuuden ja laadun.

• Tehotiheys: 22,1 W/in3 • Hyötysuhde: 95%, katso kuva 2.

• Tehokerroin: Katso kuva 3.

• Paino: Noin 1 kg • Tulojännite: 85 V - 264 V Lähtöjännite: • 24 V versiossa säädettävissä enintään 28 volttiin 100 millivoltin välein dip-kytkimillä.

• 48 V versiossa säädettävissä korkeintaan 56 volttiin 200 millivoltin välein dip-kytkimillä.

Suurin lähtövirta: 50A@24V, 25A@48V Suojaustoiminnot päälähdölle ja lisäjännitteille: • Ylijännite, automaattinen nollaus • Ylivirta ja oikosulku, automaattinen kuittaus • Ylilämpötila, automaattinen uudelleenkäynnistys Lämpötila-alue: -40°C ... +80°C, yli +50°C tiedot datalehdestä Käyttöikä +40°C lämpötilassa: 88000 tuntia Lähtöjännitteen aaltoilu: enintään 1% lähtöjännitteestä Lähtöjännitteen tyypillinen toleranssi: 1% @ 25°C, enintään ±2% korkeammissa lämpötiloissa Sertifikaatit: IEC/EN 62368, UL/IEC/EN 60601 Yhtenevyys standardeihin: IEC/EN 61558-2-16, IEC61010-1 ja OVC III; IEC62477-1 2000 m asti Jäähdytys alumiinisen pohjalevyn kautta tai tuulettimen avulla Käyttö merenpinnan yläpuolella: enintään 5000 m (IEC / EN62368-1), 4000 m (IEC / EN60601)

Page 44

Kuva 4. Päälähtöjännitteen etätunnistus.

Suurin vuotovirta potilaan läpi: 100 μA N.C. (normaalitilanteessa) ja 500 μA S.F.C. (yhden vian tapauksessa).

Lääketieteellinen suojausluokka: 2xMOPP Tarkasti säädetty lähtöjännite: Syöttölinjojen jännitehäviöiden hallitsemiseksi käytössä on ’päälähtöjännitteen etätunnistus’, jonka avulla lähtöjännite mitataan ja ohjataan haluttuun pisteeseen kahden ylimääräisen (sense-) linjan kautta. Tämä eliminoi jännitehäviöt linjoilla, joissa kulkee suuria virtoja (25/50 A). Aktivointi tapahtuu kahden TTL-tulon (5 V) kautta.

RECOM Power GmbH RECOM-yhtiön valmistusohjelmassa on kattava valikoima vakiomallisia ja räätälöityjä DC/DC- ja AC/DC-muuntimia kaikissa teholuokissa alle yhdestä watista useisiin kymmeniin kilowatteihin. Lisäksi tuotannossa on kytkinregulaattoreita ja ledivalojen ohjaimia useina eri malleina.

Pääkonttorissa Itävallan Gmundenissa sijaitsee yhtiön logistiikkakeskus sekä tutkimus- ja kehityskeskus laboratoriosiipineen.

Lisätietoja: www.recom-power.com

ETNdigi - 1/2021

Vastaa kaikkiin tarpeisiisi Eaton 93PM G2 on helppo ottaa käyttöön erilaisissa ympäristöissä. Se sopii niin datakeskuksiin, infrastruktuurikohteisiin, raideliikenteeseen, terveydenhuollon laiteisiin kuin prosessiteollisuuteen.

Eaton 93PM G2 UPS Skaalattavuus

Energiatehokkuus

Ska ala t

us vu ta

KORKEAMPI KÄYTETTÄVYYS

Tur va l

Eaton 93PM tekee sähkötuvallisuusasiat helpoiksi loppukäyttäjille, suunnittelijoille ja urakoitsijoille, sillä tarvittavat turvaominaisuudet on valmiiksi testattu, integroitu ja asennettu.

ETNdigi - 1/2021

us isu to

s uu lis

PIENMPI TCO

V ik asi e

SAFETY FIRST

Turvallisuus

Markkinoiden johtava hyötysuhde pienentää sähkö- ja jäähdytyshäviöitä, joten Eaton 93PM auttaa pitämään käyttökustannukset kurissa.

Ener gia t

kuus ok eh

Modulaarinen rakenne mahdollistaa investointikustannusten optimoinnin, sillä järjestelmää voi suurentaa tarpeen mukaan.

www.eaton.fi/93PMG2

Vikasietoisuus Järjestelmä sietää vikoja ja pysyy niistä huolimatta oikeassa toimintatilassa. Tämä on ensisijaisen tärkeää kalliiden käyttökatkosten minimoinnin kannalta.

Page 45

SIMO TUO LIS TOIMINTA-AIK

Nazzareno (Reno) Rossetti ja Tran Derek, Maxim Integrated

Älykellojen markkinoiden kasvu jatkuu lukemattomien uusien ominaisuuksien ja sovellusten ansiosta. Henkilökohtaiset terveys- ja kuntoilutuotteet sisältävät uusia ominaisuuksia, kuten seurannan, hälytykset ja verkkoyhteydet. Älykellolla ohjattujen autojen kasvua vauhdittavat hätätilanneapu ja auton tilapäivitykset. Veden- ja iskunkestävyys ja kirkkaammat näytöt ohjaavat markkinoiden kasvua maailmanlaajuisesti.

Teräväpiirtokamerat, GPSvastaanottimet, pienet tehokkaat kaiuttimet, suuret tallennustilat ja muut uudet ominaisuudet ovat tulollaan.

Yhä pienempien laitekokojen vaatimus kuitenkin lisää elektroniikan pienentämisen haastetta ja tuo lisää ongelmia akun toiminta-ajan

Page 46

SIMO-arkkitehtuuriin perustuva tehonhallinta auttaa ku älykellon vaatiman tehonsyötön pienempään tilaan par hyötysuhteella. Sen ansiosta Maximin MAX77654-tehon tuottaa enemmän tehoa pienemmässä koossa, mikä pi toiminta-aikaa ja mahdollistaa pienemmän laitetoteutu

pidentämiseen. Tässä seuraava suunnitteluratkaisu esittelee innovatiivisen virranhallintajärjestelmän, joka tuottaa tehoa paremmalla hyötysuhteella hyvin pienessä tilassa ja mahdollistaa pidemmän paristojen toiminta-

Kuva 1. Pitkälle integroitu SIMOtehonhallintapiirin lohkokaavio.

ajan pienille puettaville laitteille.

OHJELMOITAVA SIMO TULEE APUUN Ihannetapauksessa tehokas ratkaisu vie vain vähän tilaa ja integroi akkulaturin ja tarvittavat virransäädöt yhdelle ja samalla älykellon piirille. SIMO eli yhden induktorin monilähtöinen buckboost -tyyppinen eli jännitettä laskeva ja nostava hakkuripiiri (single-inductor multiple-output) toteuttaa kolme kytkentäregulaattoria yhdellä induktorilla.

Jokaisen regulaattorin topologia on ohjelmoitavissa. Akun jännitealueella ja sen yläpuolella olevilla jännitteillä piiri tarjoaa buck-boost -toimintoja ja akun jännitteiden alapuolella bucktoimintoja – mikä on luonnostaan tehokkaampaa kuin buck-boost.

Lopuksi korkeataajuinen käyttö

ETNdigi - 1/2021

SÄÄ KAA

Kuva 2. Korkean hyötysuhteen SIMOpiirin tehopuu.

hyötysuhteeseen alhaisen dropout-jännitteen (2-1,8 V) ansiosta. Järjestelmän kokonaishyötysuhde on erinomainen 86,2 prosenttia.

Jännitettä laskevassa Bucktilassa M1 ja M3_x kytkeytyvät päälle, ja virtaa syötetään lähtöön samalla kun virtaa kasvatetaan induktoriin nopeudella (VIN VSBBx) / L. Kun induktorivirta saavuttaa ohjelmoidun rajan, induktorista tuleva energia syötetään lähtöön käynnistämällä M2 ja sammuttamalla M1.

Kuva 4. SIMO-virtojen aaltomuotojen kuvaus.

SIMO-MUUNNIN

utistamaan remmalla nhallintapiiri identää kellon uksen. sallii pienen induktorin käytön, mikä edelleen kutistaa tarvittavaa tilaa. Kahta sirulla olevaa LDOregulaattoria käytetään kohinaherkille kuormille tai kuormien kytkentään. Kuvassa 1 on esitetty erittäin integroitu SIMO-tehonhallintapiiri (PMIC). Yksinkertaisuuden vuoksi ulkoisia passiivisia komponentteja ei ole kuvassa mukana.

SIMO-TEHOPUU Kuva 2 esittää järjestelmän tehopuuta. Siinä näkyy jokaisen säätimen lähtöjännite, kuormitusvirta, hyötysuhde ja tehohäviö (PD). Kolme viidestä kuormasta syötetään suoraan korkean hyötysuhteen SIMO-muuntimella.

Myös neljännen ja viidennen kuorman LDO-regulaattoreita syötetään SIMOlla, millä päästään 90 prosentin

ETNdigi - 1/2021

Kuvassa 3 on SIMO-muuntimen lohkokaavio (induktoria lukuun ottamatta kuva esittää kaikki komponentit). Kytkentäregulaattorit tuottavat tehoa pienimmillä häviöillä, ja älykäs arkkitehtuuri eliminoi tarpeen lisätä yksi induktori kutakin regulaattoria varten.

Huomaa, kuinka buck-tilassa virta ohjataan lähtöön koko jakson ajan, kun taas buckboost-virta toimitetaan lähtöön vain sen vaiheen aikana, jossa M2- ja M3_x-transistorit ovat päällä. Suurempi virransyöttö lähtöön (jaksoa kohti) tekee buckmuuntimesta tehokkaimman arkkitehtuurin.

Lähdöt syötetään siinä järjestyksessä, jossa niiden lähtövirheiden komparaattorit pyytävät. Nämä tunnetaan nimellä FIFO (first-in-first-out).

Kuva 3. SIMO-tehonhallintapiirin lohkokaavio.

Kuten kuvassa 5 (seur. sivulla) on esitetty, kolmea kytkintä syötetään yksi kerrallaan ja induktorivirta laskee 0 ampeeriin, millä vältytään ristiinsäätöongelmilta.

INDUKTORIN VIRRAN JAKAMINEN

ENNEN AKKUAIKAA PIENEMMÄSSÄ KOOSSA

Tässä hystereettisessä DCMregulaattorissa (discontinuous current mode) induktori on jaettavissa, koska induktorivirta menee aina 0:aan.

SIMO-regulaattorien ja integroitujen LDO-laitteiden ansiosta pieni MAX77654tehonhallintapiiri eli PMIC (2,79 x 2,34 x 0,5 millimetriä) tuottaa virtaa pienimmillä häviöillä piirilevyalalla, joka on 41 prosenttia pienempi kuin tyypillinen toteutus. Kuvassa 6 on otettu huomioon kaikki piirilevyn aktiiviset ja passiiviset komponentit. Koko ratkaisu vie piirilevyllä tilaa vain 19,2 neliömilliä.

Buck-boost-tilassa induktori rakentaa virran M1:n ja M4:n ollessa päällä VIN / L nopeudella. Kun se saavuttaa ohjelmoidun rajan, virta syötetään valittuun SBBx-lähtöön M2- ja M3_x-transistoreiden kautta, kuten kuvassa 5 on esitetty.

Page 47

Committed to excellence CONSULT | COMPONENTS | LOGISTICS | QUALITY

HIGH-TECH COMPONENTS for Your Innovations

As a leading distributor of electronic components we are able to offer you a wide portfolio of products, expert technical support for product development and design-in, individual logistics and supply chain management solutions as well as comprehensive services.

■ Semiconductors ■ Electromechanical ■ Passive Components Components

■ Displays & Monitors ■ Boards & Systems

■ Storage Technologies ■ Wireless Technologies

For more information about RUTRONIK: Tel. +358 9 3291 2200 | sales_finland@rutronik.com

www.rutronik.com Page 48

ETNdigi - 1/2021

antureille ja Bluetoothille.

Yksinkertaistamisen vuoksi ulkoisia passiivisia komponentteja ei esitetä tässä.

SIMO-TEHOETU Tyypillisen toteutuksen täydellinen tehopuu on esitetty kuvassa 9. Tässä tyypillisessä pienen tilan ratkaisussa LDO: n raskas käyttö johtaa vain 73,8 prosentin kokonaishyötysuhteeseen.

Kuva 5. SIMO-tehonhallintaratkaisu, joka vie minimaalisen vähän korttialaa

Kuva 6. Buck- vs. Buck-Boosthyötysuhde.

HYÖTYSUHDE

TYYPILLINEN TEHONHALLINNAN TOTEUTUS

Kyky ohjelmoida buck-tila aina tarvittaessa tuo suuremman hyötysuhteen. Kuvassa 7 SIMObuck-toiminto tuo 10 prosentin hyötysuhde-edun verrattuna buck-boost-toimintaan.

Ohjelmoitava induktorin huippuvirtaraja, IP_SBBX on asetettu arvoon 0,5A.

Tyypillinen älykellon virranhallintajärjestelmä on esitetty kuvassa 8. PMIC-piirillä on toteutettu akkulaturi, mikroohjaimen virtaa syöttävä buckmuunninta ja näytölle virtaa jakava LDO. Toinen mikropiiri (kaksois-LDO) antaa virran

Kahden ratkaisun tehokkuuden vertailu on esitetty oheisessa taulukossa.

Kuva 9. Tyypillisen ratkaisun vaatima korttiala (32,4 mm2).

SIMO-ratkaisun ylivoimainen hyötysuhde johtaa hitaampaan akun tyhjenemiseen, kun taas sen laajempi toiminta-alue - jopa 2,7 volttiin - pidentää älykellon toimintaa-aikaa, kun sitä ei ole liitetty mihinkään.

SIMO-KOKOETU

Kuva 7. Tyypillinen puettavan laitteen tehonsyöttökaavio.

SIMO-ratkaisun ja perinteisen edut.

ETNdigi - 1/2021

Kuva 8. Tyypillisen alhaisen hyötysuhteen ratkaisun tehopuu.

Kaikki aktiiviset ja passiiviset komponentit kuvassa 9 esitetylle tyypilliselle tehovirtauskaaviosta on otettu huomioon kuvion 10 ratkaisupiirroksessa.

Tämä tyypillinen puettavan laitteen ratkaisu vie piirikortilla tilaa noin 32,4 mm2 eli 69 prosenttia enemmän kuin SIMOpohjainen ratkaisu (19,2 mm2).

Ratkaisun suhteellisen matala integraatiotaso, useiden LDOregulaattorien käyttö ja suuremmat passiivikomponentit johtavat toteutukseen, joka on sekä suurempi että enemmän tehoa kuluttava.

Page 49

SÄÄTÖP OSKI Pasi Suhonen Rohde & Schwarz Finland Oy

Artikkeli perustuu Markus Herdinin ja Marcus Sonstin kirjoittamaan artikkeliin “A Brief HowTo: Analyzing control loop stability with Bode plots using modern oscilloscopes”. Molemmat työskentelevät Rohde & Schwarzilla.

Perinteisesti säätöpiirin stabiilisuutta on tarkasteltu askelvasteen avulla, minkä perusteella on voitu päätellä, onko säätöpiiri stabiili ja riittävän nopea. Kyseinen menetelmä on ollut teknisesti vaativa ja edellyttänyt vankkaa perehtyneisyyttä aiheeseen. Pelkän askelvasteen havainnoinnin perusteella on vaikea arvioida, parantavatko muutokset virtalähteen suunnittelussa säätöpiirin suorituskykyä.

Säätöpiirin stabiilisuus riippuu

Teholähde on jokaisen sähkölaitteen olennainen osa. Laitteiden monimutkaistumisen myötä, elektroniikasta on tullut yhä herkempää, mikä tarkoittaa korkeampia vaatimuksia teholähteen suunnitteluun ja testaukseen. Yksi tärkeimmistä testeistä on teholähteen säätöpiirin stabiilisuuden varmistaminen. myös teholähteen toimintatilasta.

Säätöpiiri saattaa olla stabiili kovassa kuormituksessa, mutta muuttua lähes epästabiiliksi matalassa kuormituksessa. Tästä johtuen eri toimintatilojen verifiointi on oleellinen osa virtalähteiden mittauksissa.

Säätöpiirejä on tutkittu jo vuosikymmeniä. Luotettava menetelmä stabiilisuuden todentamiseksi on suljetun silmukan taajuus- ja vaihevasteen mittaus (CLR), jota kuvataan alla olevassa Bode-diagrammissa.

Aikaisemmin suljetun silmukan taajuus- ja vaihevasteen mittaukseen tarvittiin erillinen laite, kuten vektoripiirianalysaattori.

Käytön esteeksi muodostui usein laitteen hinta ja testi- set-upin monimutkaisuus. Nykyaikaisissa oskilloskoopeissa on signaaligeneraattori ja tehokas signaalin prosessointikyvykkyys. Näiden ansiosta on mahdollista suorittaa virtalähteen suljetun silmukan taajuus- ja vaihevasteen mittaus automatisoidusti samalla oskilloskoopilla, jota tuotekehitysinsinööri käyttää päivittäisissä muissa teholähteiden mittauksissa.

Bode-diagrammitoiminto on saatavana nykyaikaiseen oskilloskooppiin ohjelmisto-optiona. Se on kustannustehokas vaihtoehto laitehankintoja suunniteltaessa.

BODE-DIAGRAMMISTA

Kuva 1. Säätöpiirin vahvistuksen mittaus.

Page 50

Boden diagrammi sisältää kaksi logaritmiselle taajuusasteikolle piirrettyä kuvaajaa, joita kutsutaan vaihe- ja amplitudivasteeksi.

ETNdigi - 1/2021

TEHOLÄHTEEN PIIRI VAKAAKSI LLOSKOOPILLA Vaihevasteen avulla on mahdollista selvittää järjestelmän tulo- ja lähtösuureen välinen viive. Vaihesiirto ilmaistaan yleensä asteina tai radiaaneina. Amplitudivaste ilmaisee systeemissä tapahtuvaa vahvistusta taajuuden funktiona, ja se on esitetty yleensä desibeleinä. Kuvassa 1 on esimerkki Boden diagrammin vaihe- ja amplitudivasteesta.

Amplitudi- ja vaihevasteen avulla on mahdollista mitata, onko säätöpiiri stabiili vai epästabiili ja kuinka suuri on vahvistus- ja vaihemarginaali.

Vaihevasteesta on mahdollista nähdä jakotaajuus, jolla vaihe saavuttaa -180 asteen vaihesiirron. Kyseisen taajuuden kohdalta voidaan amplitudivasteen kuvaajalta katsoa taajuutta vastaava vahvistus.

Jos vahvistus on 0dB, järjestelmä on epästabiili. Jos vahvistus on pienempi kuin 0dB, järjestelmä on stabiili. Vahvistusmarginaali on 0dB:n ja -180 asteen vaihesiirtoa vastaavan vahvistuksen arvon välinen erotus. Vahvistusmarginaali ilmoittaa, kuinka paljon piirin vahvistusta on mahdollista lisätä ennen kuin suljetusta systeemistä tulee epästabiili.

Toinen samankaltainen stabiiliuden mitta on vaihemarginaali.

Amplitudivaste osoittaa taajuuden, jossa vahvistuksen arvo on 0dB. Tutkimalla vaihevastetta kyseisen taajuuden kohdalla on ETNdigi - 1/2021

Kuva 2.

Kytkentäpisteen valinta.

mahdollista selvittää taajuudella tapahtuva vaihesiirto. Systeemi on stabiili, jos vaihesiirto on suurempi kuin -180 astetta.

Muussa tapauksessa systeemi on epästabiili. Vaihemarginaali on 0dB:ä vastaavan vaiheen arvon ja -180 asteen välinen erotus.

Vaihemarginaali kertoo, kuinka paljon avoimen piirin vaihesiirtoa on mahdollista lisätä ennen kuin suljetusta systeemistä tulee epästabiili.

Oskilloskoopissa Bodediagrammimittaus on toteutettu sisäänrakennetun generaattorin ja kahden analogisen mittauskanavan avulla. Generaattorilla aikaansaatu signaali syötetään säätöpiiriin ja sisään tulevaa ja lähtevää signaalia mitataan oskilloskoopin kahdella kanavalla.

Säätöpiirin mittaustulos sisältää tiedon signaalin vahvistuksesta ja vaiheesta. Oskilloskooppi pyyhkäisee automaattisesti koko asetetun taajuusalueen läpi ja näyttää amplitudi- ja vaihevasteet laitteen näytöllä.

Tässä artikkelissa kuvataan tärkeimmät asiat, jotka tulee ottaa huomioon tehtäessä tarkkoja Boden diagrammimittauksia hakkurivirtalähteiden säätöpiirin stabiiliutta tarkasteltaessa.

A) KYTKENTÄPISTEEN VALINTA Säätöpiirin vastetta mitattaessa silmukkaa on muokattava sopivasta kohdasta siten, että oskilloskoopin generaattorista tuleva signaali voidaan syöttää sisään silmukkaan. Yksinkertaisin tapa toteuttaa tämä on lisätä pieniresistanssinen vastus säätöpiiriin varmistamaan kytkentäpiste ja silmukan normaali toiminta. Oskilloskoopin signaaligeneraattorista tuleva signaali syötetään säätöpiiriin vastuksen kautta ja samaan aikaan sisään tulevaa signaalia ja säätöpiirin vastetta mitataan virtalähteen ulostulosta oskilloskoopin analogisten kanavien avulla. Säätöpiiriin lisättävän vastuksen sijainnilla on tärkeä merkitys säätöpiirin Page 51

GEAR UP YOUR NEXT R&S®RTP OSCILLOSCOPE Purchase an R&S®RTP oscilloscope and gear up your device with one of these highspeed digital bundles for free: ► Signal Integrity Analysis ► DDR3/ DDR4 Debugging and Compliance Test ► PCIe Gen 1/2/3 Debugging and Compliance Test ► USB 2.0/3.2 Debugging and Compliance Test ► 5G MIMO analysis ► Multichannel Radar analysis

Save up to

30% Promotion is valid until October 30, 2021

www.rohde-schwarz.com/rtp-promotion

Rohde & Schwarz Finland Oy Teknobulevardi 3-5 G 01530 Vantaa Phone: +358 207 600 400 asiakaspalvelu@rohde-schwarz.com www.rohde-schwarz.com

Page 52

ETNdigi - 1/2021

impedanssin kannalta. Kuvassa 2 on esitetty tyypillinen vastuksen kytkentäpiste hakkurivitalähteen säätöpiirissä.

B) EROTUSMUUNTAJA Erotusmuuntaja kytketään oskilloskoopin sisäisen signaaligeneraattorin ja hakkurivirtalähteen säätöpiirin väliin, jotta signaaligeneraattorin matalatasoinen signaali voidaan kytkeä säätöpiiriin. Tässä mittausmetodissa on erittäin tärkeää, että erotusmuuntaja ei vaikuta säätöpiirin normaaliin toimintaan.

Erotusmuuntajan tehtävänä on erottaa oskilloskoopin signaaligeneraattori galvaanisesti mitattavasta piiristä ja tämän lisäksi sen taajuusvasteen on oltava mahdollisimman tasainen koko taajuusalueen yli. Erotusmuuntajaa valittaessa on otettava huomioon muun muassa muuntajan sydämen permeabiliteetti ja ensiö- ja toisiokäämien välinen hajakapasitanssi.

C) AMPLITUDIPROFIILI Säätöpiiri on toiminnaltaan luonnostaan erittäin herkkä ja sen perustehtävä on säätää virtalähteen toimintaa siten, että mahdollinen epävakaa toiminta virtalähteen ulostulossa on minimoitu. Syötettäessä ulkopuolista signaalia säätöpiiriin on erittäin tärkeää huomioida sen amplitudi. Käytännössä seuraavat säännöt on hyvä ottaa huomioon: • Ulkoisen signaalin amplitudin on oltava riittävän matalatasoinen, jotta voidaan estää säätöpiirin aktiivisten komponenttien yliohjautuminen.

• Ulkoisen signaalin amplitudi on oltava kohinatason yläpuolella, jotta voidaan varmistaa mittaustulosten tarkkuus.

Säätöpiirin vahvistus vaihtelee taajuuden funktiona, joten syötettävän signaalin taso on optimoitava taajuuskohtaisesti.

Tämän vuoksi oskilloskoopin Boden diagrammitoiminnossa on myös automatisoitu amplitudiprofiili, joka on esitelty tarkemmin kuvassa 3.

ETNdigi - 1/2021

Kuva 3: Syötettävän signaalin amplitudiprofiili (taulukossa sinisellä pohjalla) ja Boden diagrammi (oskilloskoopin näytöllä punainen ja sininen mittauskäyrä).

D) MITTAPÄÄ Onnistunut mittaus oskilloskoopilla edellyttää oikeantyyppisen mittapään käyttöä. Eri mittapäät eroavat toisistaan mm. jännitekeston, vaimennuskertoimen ja kaistanleveyden osalta. Sovelluksesta riippuu, mikä parametri on kulloinkin tärkeä.

Oskilloskoopin mukana toimitetaan tyypillisesti passiiviset mittapäät, joiden vaimennuskerroin on 10:1 ja kaistanleveys 500 MHz:n luokkaa. Kyseisen mittapään kaistanleveys on riittävä säätöpiirin mittaukseen, mutta sen vaimennuskerroin on tässä tapauksessa ongelmallinen.

Säätöpiirin vastetta mitattaessa mittapään herkkyys ja matalakohinainen mittaus ovat tärkeitä ominaisuuksia. Tästä syystä 1:1mittapäät ovat paras vaihtoehto, erityisesti koska useimmiten mitattavat jännitteet ovat matalatasoisia ja vaadittava kaistanleveys on vain muutaman megahertsin luokkaa.

Mitattaessa virtalähteitä, joiden lähtöjännite on korkea, on suositeltavaa käyttää suurjännitepassiivimittapäätä tai suurjännitedifferentiaalimittapäätä sovelluksesta riippuen.

E) STABIILISUUSMITTAUKSET KAIKISSA OLOSUHTEISSA Muutokset hakkurivirtalähteiden syöttöjännitteissä, kuormassa ja lämpötilassa saattavat joissakin tapauksissa heikentää merkittävästi vaihemarginaalia. Tällainen tilanne saattaa syntyä esimerkiksi silloin, kun virtalähteen kuormitus on matala, jolloin virtalähteet tyypillisesti menevät DCMmoodiin ja säätöpiiri käyttäytyy eri tavalla normaaliin toimintatilaan verrattuna. Jos halutaan varmistaa, että virtalähde on kaikissa olosuhteissa stabiili, on suositeltavaa tehdä Boden diagrammimittaus kaikissa toimintatiloissa.

YHTEENVETO Nykyaikaisesta oskilloskoopista on tullut mittalaite, josta löytyy toiminto monenlaisiin mittaushaasteisiin. Boden diagrammitoiminnon ja sisäänrakennetun signaaligeneraattorin avulla on mahdollista tehdä virtalähteiden stabiilisuusmittauksia ilman erillisten mittalaitteiden käyttöä.

Tämä on tilaa säästävä ja kustannustehokas ratkaisu virtalähteiden mittauksiin.

Lisätietoa säätöpiirin analysoinnista löytyy osoitteesta www.rohde-schwarz.com/ solutions/cla.

Page 53

LAAJA LAAJAN T

David Woodcock Future Electronics

Tehojärjestelmissä puhutaan nyt uusista laajan kaistaeron materiaaleista. Mutta mitä GaN- tai SiC-komponenttien käyttäminen edellyttää ja mihin sillä voidaan päästä? Future Electronicsin tekemä vertailu kertoo paljon.

Perinteinen piipohjainen tehoMOSFET on helposti saatavilla oleva edullinen komponentti, joka on varmasti jatkossakin tehokytkinten perusta vuosien ajan.

Suurjännitemuuntimissa sen rajoitukset ovat kuitenkin ilmeisiä.

Kytkentähäviöt ovat suuret, mikä johtuu pii-MOSFETin rakenteen ominaisuuksista.

Tämän ongelman ratkaisemiseksi sekä tehokkuuden ja kytkennän parantamiseksi tehojärjestelmien suunnittelijat ovat ottaneet käyttöön useita topologioita, joissa kytkentä onnistuu nollajännitteellä ja/tai nollavirralla.

Nämä topologiat ovat kuitenkin monimutkaisia ja edellyttävät monimutkaisten ohjausjärjestelmien käyttöä ja suurta määrää komponentteja.

Uuden sukupolven virtakytkimet, jotka on valmistettu laajan kaistaeron galliumnitridi- tai piikarbidimateriaaleista, ovat antaneet suunnittelijoille mahdollisuuden harkita uusien virtatopologioiden käyttöä, jotka ovat yksinkertaisempia toteuttaa ja käyttävät vähemmän komponentteja. Silti niillä saavutetaan huomattavasti parempi tehokkuus. Tämä johtuu siitä, että sekä GaN- että SiC-virtakytkimillä on luonnostaan pienemmät häviöt kytkettäessä suoraan suurjännitteestä.

Page 54

Sillaton toteeminapainen PFCtopologia (Power Factor Correction) herättää erityistä kiinnostusta suuritehoisissa järjestelmissä. PFC-konfiguraatiossa yksi aktiivisilla kytkimillä varustettu puolisilta (half-bridge) joko korkean liikkuvuuden eli HEMT-GaN-transistoreilla (High Electron Mobility Transistors) tai SiC-MOSFETeilla tukee kytkentää minimaalisilla häviöillä.

Tämä kuulostaa hyvältä, mutta tosielämän toteutukset osoittavat, että laitteen kotelo, ohjaimen valinta ja piirilevyn asettelu vaikuttavat merkittävästi laajan kaistaeron piirien suorituskykyyn kytkettäessä suurella jännitteellä.

Future Electronicsin tehojärjestelmien suunnittelutiimi yhtiön Eghamin osaamiskeskuksessa on

testannut ja vertaillut erilaisia half-bridge -kokoonpanoja käyttämällä sekä GaN HEMTettä SiC MOSFET -piirejä sillattomassa toteeminapaisessa PFC-topologiassa. Tässä artikkelissa esitellään vertailun tuloksia ja ehdotetaan parhaita ratkaisuja laajan kaistaeron tehokomponenttien käyttämisestä suuren jännitteen kytkentäjärjestelmiin.

GaNdalf-EVALUOINTIALUSTA Eri komponenttien arviointi tehtiin GaNdalf-alustalla, joka on modulaarinen sillattomalla PCFpiirillä toteutettu kehityskortti. Se tuottaa 400 voltin DC-lähdön verkkovirrasta. GaNdalf-kortissa on laajennusliitäntä, joka mahdollistaa useiden puolisiltakorttien helpon vertaamisen. Nämä voivat olla joko GaN HEMT- tai SiC MOSFET -kortteja eristetyillä ajureilla ja DC-DC-virtalähteillä.

Vertailukohdaksi eri kytkinkokoonpanoille oli puolisiltakortti, jossa käytettiin Panasonicin PGA26E06BA GaN -kytkimiä nopeiden opto-kytkimien eristämänä ja Panasonicin nopeita GaN-ohjaimia (AN34092B) (kuva 1). Tämä järjestelmä saavutti 99 prosentin hyötysuhteen syötettäessä jopa 1 kilowatin kuormia.

Kuva 1. GaN HEMT -pohjainen halfbridge -kortti Panasonicin GaNkytkimillä.

Uusien puolisiltakorttien käyttöönotto antoi osaamiskeskuksen suunnittelijoille mahdollisuuden

ETNdigi - 1/2021

AN N KAISTAERON TEHOKYTKIMET VERTAILUSSA Kuva 2. Poikkileikkaus piirilevystä, jonka alapinnalle jäähdytetyt GaN HEMT -komponentit on asennettu.

tavoitella suurempia tehoja ja parempaa lämpösuorituskykyä, ja samalla pienentää ajuripiiristön kustannuksia.

Futuren kehittäjät pääsivät myös arvioimaan 600-700 volttiin mitoitettujen SiC MOSFET -piirien etuja 3- tai 4-nastaisissa TO-247koteloissa. jotka mahdollistivat parempia vaihtoehtoja lämmön poisjohtamiseen.

GaN: LÄMMÖNHALLINTA MIETITYTTÄÄ Ensimmäiset GaN-pohjaiset puolisiltakortit ovat Infineonilta, Panasonicilta ja Exaganilta.

Niiden vastusarvot vaihtelevat välillä 30-190 milliohmia (mΩ).

Laitteet toimitetaan pohjapuolelta jäähdytetyissä pintalii-tettävissä koteloissa, joissa on 60-80 neliömillimetrin lämpötyynyt.

Piirilevyn rakenne on esitetty kuvas-sa 3. Jäähdytyselementti (4°C/W) on kytketty puolisiltakorttien kääntö-puolelle ja kytketty sähköisesti PFCvaiheen ulostulopotentiaaliin.

Lämpökosketuspinta jäähdytyselementistä lämpöeristystyynyn ja PCB-pohjakerroksen välillä oli tyypillisesti 300 neliömillimetriä.

GaN HEMT -piirit tuottavat nopean kytkentänsä takia merkittävästi kohinaa, ja niiden

ETNdigi - 1/2021

dV/dt-arvo on usein yli 100 V/ns.

Suunnittelijan on rajoitettava kohinaa minimoimalla kapasitiivinen kytkentää puolisillan nopeasti kytkevän solmun ja muiden solmujen välillä (ja sen jälkeen maapotentiaaliin). Tämä on kuitenkin ristiriidassa optimaalisen lämmönhallinnan saavuttamisen kanssa, koska GaN HEMT:n lämpöreitti on puolisillan nopea kytkentäsolmu.

Vaikka kapasitiivista kytkentää piirilevyn yli voidaan hallita, jotkut kapasitiiviset kytkennät jäähdytyselementtiin ovat väistämättömiä.

GaN-kytkinjärjestelyn sähköisten ja termisten näkökohtien välinen ristiriita vaikutti näiden puolisiltakorttien toimintaan. Korkea kohinataso esti kortin oikean toiminnan, vaikka käytetyt porttiajurit mahdollistivat transienttien immuniteetille yli 100 V/ns arvot.

Futuren kehittäjien oletuksena oli, että ongelman syy oli kapasitiivinen kytkentä jäähdytyselementtiin. Sen arvoksi laskettiin noin 20 pikofaradia. Jäähdytys-

elementin kosketusalueen pienentäminen 300 neliömillimetristä 100 neliömillimetriin pienensi kapasitiivisen kytkennän alle 10 pikofaradiin ja paransi siten kohina-arvoa niin, että kortin toiminta saatiin riittävän hyväksi.

Nopeasti kytkevän solmun kosketusalueen pienentäminen kuitenkin väistämättä heikentää lämmön johtumista ja vähentää kuormaa, jota pohjapuolelta jäähdytettyihin GaN-piireihin perustuva järjestelmä voi syöttää ilman tuuletinjäähdytystä.

PÄÄLTÄ JÄÄHDYTTÄMINEN PARANTAA SUORITUSKYKYÄ Yläpuolelta jäähdytetyn kotelon käyttö poistaa edellä kuvatun ongelman: nyt sähkö- ja lämpöreitit voidaan erottaa.

Ero suorituskyvyssä käytettäessä samaa puolisiltakorttimallia yläpuolelta jäähdytettyjen 70 milliohmin GaN-kytkimien kanssa on huomattava. Ratkaisu toimi erittäin hyvin ilman kohinaongelmia (katso kuva 3 s. 56). 99 prosentin hyötysuhteen saavuttava kortti, jossa on ylhäällä asennettu

Page 55

4°C/W-jäähdytyselementti eikä pakotettua tuuletusta, säilytti kotelon lämpötilan noin 80 asteessa 25-asteisessa tilassa, kun siitä syötettiin 2 kilowatin lähtöä 220 voltin AC-tulosta.

Futuren kehittäjien kokemus GaNdalf-alustasta osoittaa, että GaN-kytkimiin perustuvissa sillattomissa toteeminapaisissa PFC-piireissä, jotka toimivat yli 1 kilowatin tehotasoilla, suositellaan yläpuolelta jäähdytettyjä koteloita, jos järjestelmää on tarkoitus ajaa ilman pakotettua tuuletusta.

SiC MOSFET: ONGELMIA TO-247-KOTELOISSA GaNdalf-kehitysalustan modulaarisen rakenteen etuna on, että se helpottaa GaN- ja SiC-laitteiden suoraa vertailua. Eghamin tiimi odotti, että SiC MOSFET tekniikoihin perustuvat puolisiltakortit tarjoavat hieman alhaisemman tehokkuuden kuin GaNpohjaiset järjestelmät. Tämä johtuu siitä, että SiC MOSFET laitteet, joilla on hitaampi dV/dt ja käänteisen palautumisen häviöt suuremmat, tuottavat suurempia kytkentähäviöitä.

GaN HEMT -laitteisiin verrattuna SiC MOSFET -laitteita on saata-

Kuva 3. Ylhäältä jäähdytetty GaN HEMT -kokoonpano.

vana enemmän ja useammilta valmistajilta, esimerkiksi Microchipiltä, ON Semiconductorilta, STMicroelectronicsilta, Infineonilta ja ROHM Semiconductorilta. Lisäksi 600-700 voltin SiC MOSFET -laitteiden hinnat laskevat nopeasti. Kaikissa uusissa sillatonta toteeminastaista PFC-topologiaa käyttävissä projekteissa saattaa siksi joutua arvioimaan SiC MOSFET -toteutusta.

SiC MOSFET -laitteita toimitetaan sekä 3- että 4-johtimisissa TO-247-koteloissa, mutta tässä tutkimuksessa keskityttiin 4johtimiseen TO-247-koteloon, joka sisältää lisäksi niin sanotun Kelvin-liitännän. Kehittäjien

arviointi paljasti jonkin verran suorituskyvyn vaihtelua sekä toiminnassa että kohinassa eri piirien välillä.

Jotkut piirit toimivat hyvin ja tuottivat lähes 99 prosentin PFChyötysuhteen hyvällä kytkennän suorituskyvyllä. Toiset tuottivat alkuun suhteellisen heikkoja kytkentäaaltomuotoja ja generoivat sen verran kohinaa, että se vaikutti suorituskykyyn. Yhdessä tapauksessa kohinan vaikutus suorituskykyyn oli pieni.

Testitulokset kertoivat hyvästä hyötysuhteesta, mutta kotelon lämpötila nousi 10 °C korkeammalle kuin vastaavissa laitteissa havaittu. Harmoninen kokonais-

Sillattoman toteeminapaisen PFC-piirin toim Sillaton toteeminapainen Power Factor Correction- eli PFC-topologia on tehostettu PFC-piiri, joka mahdollistaa korkean hyötysuhteen vain neljällä aktiivisella kytkimellä, yhdellä induktorilla ja lähtökondensaattorilla. Kaksi kytkintä toimii suurella taajuudella ja kaksi muuta kytkintä verkkovirran taajuudella synkronisen korjauksen mahdollistamiseksi.

Toiminta on jatkuvassa johtamistilassa (CCM), joka edellyttää kytkinten toimimista suurella jännitteellä. Tämä tarkoittaa, ettei toteutus korkean jännitteen piiMOSFETeilla ole mahdollista kytkennästä aiheutuvien suurten häviöiden vuoksi. Uudet laajan kaistaeron FETtekniikat, jotka käyttävät galliumnitridi- tai piikarbidikytkimiä, tuovat paljon pienemmät kytkentähäviöt tämän tyyppisen PFC-piirin käytännön toteutukseen.

Page 56

Topologian perustoiminta on esitetty kuvissa 1 ja 2. Ne esittävät virran kulun topologian läpi kytkentäjaksojen aikana, kun toimitaan vastaavasti positiivisen ja negatiivisen vaihtovirtajännitteen puolisyklin sisällä. GaN1 ja GaN2 edustavat kahta GaN-FETtiä, jotka toimivat PWM-taajuudella (nimellisesti 70 kHz). S1 ja S2 edustavat pii-MOSFET-piirejä, joita käytetään vaihtovirtajakson synkroniseen korjaamiseen.

Positiivisessa puolisyklissä GaN2 on aktiivinen kytkin, jonka avulla verkosta tuleva virta voi kasvaa boostinduktorin kautta työjaksolle D (mikä määräytyy kuormituksen tason ja hetkellisen V AC -tason mukaan).

GaN1 on synkroninen kytkin (tai synkronointikytkin), joka sallii virrankulun boost-induktorista lähtökondensaattoriin työjakson 1-D aikana. Kytkin S2 on päällä koko

ETNdigi - 1/2021

särö (THD) oli myös jopa 8 prosenttia suurempi. Lokidatan yksityiskohtainen analyysi osoitti, että tulovirran aaltomuoto oli vääristynyt: tulovirran AC-virtajakson negatiivinen puoli oli hieman litistynyt.

Laitetoimittajien kanssa tehdyssä perusteellisessa tutkimuksessa tunnistettiin ilmiön perimmäinen syy: joidenkin SiC MOSFET laitteiden portti-nielu-kapasitanssi (Cgd) voi olla suhteellisen suuri.

Yhdistettynä matalaan kynnysjännitteeseen tämä ominaisuus voi altistaa MOSFETin ns. Millerin käynnistysvaikutuksille. Lisäksi sisäisistä kapasitansseista johtuva jännitteen kytkentä voi johtaa huonoon kytkentäaaltomuotoon ja ei-toivottuihin ristiinjohtumisen vaikutuksiin.

Onneksi tähän on lääke. Future Electronicsin suositus on tarkistaa SiC MOSFETin Cgdluokitus ja hila-lähde-kapasitanssin (Cgs) suhde Cgd:een datalehdistä. Jos Cgd on suhteellisen suuri, saattaa kannattaa valita porttiohjain Miller-tasolukitus-toiminnolla. Tähän esimerkiksi STMicroelectronicsin STGAP2SCM on sopiva tuote.

Jos Cgs:n ja Cgd:n suhde on alhainen, on suositeltavaa lisätä Cgs:tä käyttämällä ulkoista

kondensaattoria.

Eghamin osaamiskeskuksen GaNdalf-alustaan perustuvassa arvioinnissa (Millerin) tasolukitustoimintoa käyttävä ohjain yhdistettynä Cgs-lisäkapasitanssiin paransi kytkentätehoa ja järjestelmän kokonaistoimintaa, mikä johti huomattavasti parantuneeseen hyötysuhteeseen, parempaan harmoniseen kokonaissäröön ja myös parempiin kytkentäaaltomuotoihin.

TUTKIMUS TUKEE SUOSITUKSIA GaNdalf-alusta tarjoaa ihanteellisen perustan tutkia yksityiskohtaisesti sekä GaN- että SiClaitteiden toimintaa suurella jännitteellä kytkettäessä. Future Electronicsin osaamiskeskuksen tutkijoiden toteuttama vertaileva tutkimus paljasti joitain tärkeitä käytännön tuloksia, joita tehojärjestelmien suunnittelijat voivat hyödyntää.

Erityisen selvää on, että pintaliitettävät kotelot, joissa on yläpuolinen jäähdytys, tarjoavat parhaat kokonaistulokset käytettäessä GaN HEMT -piirejä, joissa tehotasot ylittävät 1 kilowatin ja joissa ei haluta käyttää tuulettimen jäähdytystä.

GaNdalf-piirilevy osoitti myös, että piikarbidilaitteet ylletään hyöty-suhteessa hyvin lähelle GaN HEMT -laitteiden lukemia, tehoa pienem-miksi, kun taas piikarbidipohjaiset MOSFETit ovat hinnaltaan houkuttelevia ja laajalti saatavissa.

Jotkut 4-johtimisissa TO-247koteloissa olevat SiC MOSFET piirit voivat kärsiä kohinaongelmista ja olla alttiita Millervaikutukselle, jossa Cgd on suhteellisen suuri. Monissa tapauksissa nämä ongelmat voidaan ratkaista käyttämällä ohjainta, jolla on aktiivinen tasolukitustoiminto, ja ulkoista Cgs-kapasitanssia kytkentäaaltomuotojen parantamiseksi.

minta positiivisen V AC -puoliskon ajan, ja S1 pysyy pois päältä.

Käänteisesti negatiivisen V AC -puolijakson aikana GaN1 on aktiivinen kytkin työjaksolla D ja GaN2 on synkronointikytkin työjakson 1D kanssa. S1 on päällä koko negatiivisen V AC -puolisyklin ajan, ja S2 pysyy pois päältä.

Kuollut aika lisätään korkean ja matalan GaN:n ja pii-FETin kytkentätilan muutoksen väliin, jotta vältetään oikosulun mahdollisuus.

Ajoituksen ja kytkennän hallinta ajanjaksolla, jolloin V AC -jakso muuttuu positiivisesta negatiiviseksi ja päinvastoin, on kriittinen virtapiikkien välttämiseksi.

ETNdigi - 1/2021

Sillattoman toteeminapaisen topologian toiminta positiivisen V AC -puolijakson aikana.

Page 57

NÄIN VALITS UPS-LAITTEE Leo Heikanen Eaton

Oletko hankkimassa yrityksellesi varavoimajärjestelmiä, jotta häiriötön sähkönsyöttö verkkohäiriön aikana voidaan turvata?

Hyvä! Ensimmäiseksi sinun on mietittävä, minkä tyyppisen – yhden muunnoksen vai kaksoismuunnoksen – häiriöttömän sähkönsyötön järjestelmän (UPS) laitteen valitset. Nämä tunnetaan myös topologiatyyppeinä.

YHDEN MUUNNOKSEN JÄRJESTELMÄT Normaalikäytössä tämä UPStyyppi syöttää jakeluverkosta tulevaa vaihtovirtaa IT-laitteelle tai muille kuormille. Jos sähkönsyöttö ei ole ennalta määritettyjen raja-arvojen mukaista jännitteen ja taajuuden osalta, UPS-laite ottaa integroidun invertterin käyttöön ja syöttää sähköä akustosta sekä kytkee jakeluverkon syötön irti, jotta invertteri ei syötä sähköä verkon suuntaan.

UPS-laite käyttää akustosta virtaa siihen asti, kunnes jakeluverkon sähkö palaa normaaleihin toleransseihin tai akusta loppuu virta, sen mukaan kumpi tapahtuu ensin. Kaksi suosituinta yhden muunnoksen mallia ovat

Page 58

passiivinen off-line- ja lineinteraktiivinen topologia, joiden toiminta on selitetty täällä.

KAKSOISMUUNNOSJÄRJESTELMÄT Nimensä mukaisesti nämä laitteet muuntavat sähköä kaksi kertaa.

Ensin tulopuolen tasasuuntaaja muuntaa vaihtovirran (AC) tasavirraksi (DC) ja sen jälkeen syöttää sen lähtöpuolen invertteriin eli vaihtosuuntaajaan. Lähdön invertteri muuntaa virran jälleen vaihtovirraksi ennen sen syöttämistä kuormille.

Tällainen kaksoismuunnosteknologia eristää kriittiset kuormat suoralta jakeluverkon sähköltä ja varmistaa, että kuorma saa vain laadukasta ja

toimintavarmaa sähköä.

Normaalitilanteessa kaksoismuunnos-UPS käsittelee sähköä jatkuvasti kaksi kertaa. Jos kuitenkin syntyy tilanne, jossa jakeluverkon sähkönsyöttö ei ole ennalta määritettyjen raja-arvojen mukaista, tulopuolen tasasuuntaaja sammuu ja lähtöpuolen invertteri pysyy toiminnassa ja ottaa sähköä akuista.

UPS ottaa akustosta virtaa siihen asti, kunnes tulopuolen sähkönsyöttö palaa normaaleihin toleransseihin tai akustosta loppuu virta, sen mukaan kumpi tapahtuu ensin. Jos invertteri ylikuormittuu voimakkaasti, tai tasasuuntaajaan tai invertteriin tulee vika, staattinen ohituskytkin kytkeytyy nopeasti, jotta

ETNdigi - 1/2021

SET EN OIKEIN verkkovirtaa voidaan käyttää tukemaan kuormaa.

ERI TOIMINTATILOJA Kaksoismuunnoksen UPS-laitteet sisältävät erilaisia toimintatiloja.

Näillä saavutetaan dynaamisesti juuri oikea tasapaino tehokkuuden ja suojauksen välillä.

Normaaleissa olosuhteissa ne tarjoavat parhaan mahdollisen hyötysuhteen toimimalla erittäin tehokkaasti energiansäästötilassa.

Kun jakeluverkossa ilmenee ongelmia, ne tinkivät hieman hyötysuhteesta mahdollisimman suuren suojaustason takaamiseksi siirtymällä automaattisesti ja välittömästi takaisin kaksoismuunnostilaan. Kun sähkön laatu palaa hyväksyttävälle tasolle, UPS

ETNdigi - 1/2021

siirtyy takaisin energiansäästötilaan. Tämän ansiosta käyttäjät voivat säästää merkittävästi energiakustannuksissa tinkimättä suorituskyvystä tai luotettavuudesta.

Me Eatonilla ymmärrämme, että joudut yrityksessäsi vastaamaan monenlaisista kiinteistö-huoltoon liittyvistä asioista ja että oikean UPS-järjestelmän valinta ei ole päivittäinen huolenaiheesi. Tästä syystä olemme koonneet UPS-järjestelmän perusteet -raportin, joka on ladattavissa maksutta täältä.

Raportti sisältää kaiken tarvittavan tiedon häiriöttömistä sähkönsyöttöjärjestelmistä sekä kattavan oppaan oikean UPS-laitteen ja lisävarusteiden valitsemiseen.

Page 59

YLI JÄNNITERA LOGIIKKAA RIKKOMATTA Virrankulutuksen vähentäminen on välttämätöntä sekä mobiiliettä datakeskussovelluksissa. Silti on haaste pienentää tehonkulutusta ja samalla vaikuttaa minimaalisesti suorituskykyyn. Ratkaisu on ollut jakaa suunnittelut useisiin tehoalueisiin, jotka mahdollistavat valikoivan jännitetasojen alentamisen tai osioiden virran katkaisemisen kokonaan.

Perinteisessä vähävirtaisen suunnittelun verifioinnissa validoidaan vain tehonsäätölogiikan toiminnallisuus. Siinä ei validoida tehologiikan vaikutusta logiikkaan, joka toimii useilla eri kelloilla tai nopeuksilla.

Näiden kelloalueiden risteymien (CDC, clock domain crossing) tarkkuus vaatii uusia analyysitekniikoita, jotka ovat ns. tehotietoisia (power-aware): • Vähävirtainen kello- ja resetanalyysi •Vähävirtaisten CDC-polkujen ja synkronointirakenteiden tunnistaminen •Vähävirtaisten CDC-rikkomusten tunnistaminen ja virheenkorjaus Näitä pienitehoisia suunnittelu- ja varmennusmenetelmiä ja tekniikoita tukevat IEEE 1801:n UPFmääritysten (Unified Power Format) hieno-ominaisuudet sekä Questa CDC- ja Questa PowerAware -tarkistustyökalujen edistyneet ominaisuudet.

Molemmat tulevat Siemens

Page 60

EDA:lta, joka on osa Siemens Digital Industriesia.

Uusimmat UPF-standardit antavat suunnittelijoille mahdollisuuden aloittaa tehonsyöttöverkkojen suunnittelun ja varmentamisen aiemmassa vaiheessa suunnittelua ja jatkaa tehonsyöttölinjojen hienosäätöä koko suunnittelun ajan. On keskeisen tärkeää, että suunnittelijat aloittavat CDC-verifioinnnin RTL-tasolla.

Kuva 1. Tehotietoisen DCDverifioinnin kulku.

Tämä pienitehoisen (low power) logiikan CDC-verifiointi on lisäys perinteiseen RTL-tason CDCverifiointiprosessiin. Perinteisessä suunnittelussa vähävirtaiset elementit lisätään suunnitteluun projektin toteutusvaiheessa, joten niiden CDC-analyysi tapahtuu myöhäisessä vaiheessa suunnitteluvuota. Sen sijaan tehotietoisessa CDC-verifioinnissa tehohuomautukset lisäävät UPFformaatissa määritellyt low power -elementit RTL-suunnitteluun eli paljon aikaisemmassa vaiheessa suunnittelua.

Vähävirtainen CDC-analyysi tapahtuu yleensä neljässä vaiheessa: 1.Generoidaan parametrisoitu UPF-tiedosto 2.Käännetään RTL-suunnittelu 3.Ajetaan CDC-analyysi UPDdatalle 4.Generoidaan tehotietoinen eli power-aware CDC-raportti METODOLOGIAN KÄYTTÖÖNOTTO Perinteisissä suunnitteluissa käytetään staattista rakenneanalyysiä tunnistamaan sekä oikeat että virheelliset CDCsynkronointirakenteet. Vähävirtaisissa suunnitteluissa sekä eristys- että retentio- eli muistinpalautussolut on tarkistettava sen varmistamiseksi, että virheelliset CDC-polut ovat oikeita, koska nämä solut eivät saisi häiritä oikeita CDC-rakenteita eivätkä saisi tuoda suunnitteluun mukaan uusia CDC-polkuja.

Edistyneissä vähävirtaisissa suunnitteluissa hyödynnetään yleisiä CDC-verifiointitekniikoita sen varmistamiseen, ettei metastabiilisuus vahingoita tiedonsiirtoa eri tehoalueiden välillä. Nämä CDC-varmennustekniikat sisältävät vähävirtaisten CDC-polkujen ja synkronointirakenteiden tunnistamisen sekä tuen sekä eristys- että retentiosoluille. Staattinen rakenneanalyysi on tyypillinen tekniikka, ETNdigi - 1/2021

Kurt Takara, Siemens EDA

AJOJEN Kuinka voidaan verifioida, että piirin eri jännitteitä käyttävät alueet toimivat oikein? Tähän CDCanalyysiin on tarjolla työkaluja, jotka voidaan ottaa mukaan aikaisessa vaiheessa suunnittelua.

jota käytetään CDC-polkujen verifiointiin, mutta vähävirtaisissa suunnitteluissa sekä eristys- että retentiosolut on tarkistettava sen varmistamiseksi, että virheelliset CDC-polut tunnistetaan ja korjataan.

Tehotietoisen CDC-analyysin avulla suunnittelijat pystyvät tunnistamaan ne CDC-polut, joihin vähävirtaiset rakenteet vaikuttavat. Suunnittelijoiden on varmistettava, että eristyssignaalit synkronoidaan oikein CDC-poluilla. Kuva 2 näyttää sekä datan että eristämisen mahdollistavat lähteet samalla kelloalueella (domain) kohderekisterin kanssa.

Kuva 2. Eristys oikealla kelloalueella eli domainissa.

Lisäksi CDC-analyysin tulisi havaita skenaariot, joissa eristyssignaaleja ei ole synkronoitu oikein. Kuvassa 3 ei ole CDCylitystä B1-B2-polulla, joka on kuvattu RTL-tasolla, mutta B3B2-polulla CDC-ylitys tulee mukaan UPF:n myötä. Kun ETNdigi - 1/2021

eristämisen salliminen on clk2alueella on esitetty assertiona tai de-assertoituna, tämä voi johtaa asynkroniseen tapahtumaan, joka aiheuttaisi metastabiilisuuden clk1-alueen B2-rekisterissä.

Suunnittelijat voivat myös käyttää tehotietoista CDC-verifiointia varmistaakseen oikean retentiosolun käytön.

että suunnittelulogiikka on ensin rekisteröitävä ennen CDCsynkronoijan ajamista.

Kuva 4. Eristyslogiikka aiheuttaa yhdistelmälogiikan rikkomuksen.

Kuva 3. Eristys enable-asetuksessa väärällä kelloalueella aiheuttaa metastabiilisuutta.

Tehotietoinen CDC-analyysi havaitsee tapaukset, joissa vähävirtainen logiikka tuo yhdistelmälogiikan synkronointipiirin tuloihin (fan-in). Kuvassa 4 2DFF-synkronointirakenne on toteutettu oikein RTL-tasolla (B1 > B2), mutta eristyssolu kuvataan UPF:llä ja eristyslogiikka luo rikkomuksen yhdistelmälogiikkaan.

Yhdistelmälogiikan tuominen synkronointirakenteisiin vähentää synkronoijan luotettavuutta.

Samoin kuin CDC-yhdistelmälogiikan rikkomusten osalta, suunnittelijoiden tulisi varmistaa,

CDC-tulosten raportoimiseksi vähävirtaiseen logiikkaan liittyvät CDC-polut raportoidaan erillisissä kaavioissa, kuten näissä tehotietoisissa CDC-kaavamalleissa on havainnollistettu. pa_combo_logic UPF lisää yhdistelmälogiikan (domain-rajan) ylittämiseen. pa_iso_en_no_sync UPF-eristyssolun enablesignaalilla ei ole kunnollista synkronoijaa. pa_retention_restore UPF-retentiorekisterin palautusportilla ei ole kunnollista synkronoijaa.

Page 61

Technology. Passion. EBV. ebv.com

Page 62

ETNdigi - 1/2021

TULOKSET CDC-analyysin hyötyjen selvittämiseksi tutkimme tuloksia oikeasta käyttötapauksesta. Tässä tapauksessa tehotietoinen CDCanalyysi ajettiin alijärjestelmän tasolla. Alijärjestelmä sisälsi parametreja, jotka ohjaavat virtakytkinkokoonpanoja, joten useita kokoonpanoja oli testattava erikseen, jotta voitiin todeta signaalien eheys CDC-analyysissä. Ensiksi skriptin tuottama komentosarja loi kokoonpanokohtaisen UPF-tiedoston, joka korreloi RTL-koodin kanssa samoilla parametrimäärityksillä.

Sen jälkeen ajettiin tehotietoinen CDC-analyysi jokaiselle RTL:lle ja UPF-kokoonpanolle.

Vähävirtaisia CDC-verifiointitekniikoita käytettiin sen varmistamiseksi, että metastabiilisuus ei vahingoittanut datansiirtoa eri virta-alueiden eli domainien välillä. Staattisiin tekniikoihin sisältyvät vähävirtaisten CDCpolkujen ja synkronointirakenteiden tunnistaminen sekä tuki eristys- ja retentiosoluille RTLsuunnitteluissa. Tätä alijärjestelmää varten CDC-analyysi tuotti 286 eristyssolua UPF-tiedostosta.

Tehotietoinen CDC-analyysi havaitsi eristyssolujen CDC-polut pa_iso_en_no_sync -kaavion mukaisesti (ks. kuva 5).

Näitä eristystapauksia varten toteutettiin vähävirtainen low power -protokolla, jossa Rx-kello on poistettu käytöstä, kun eristystä käytetään (assertoitu koodissa) ja de-assertoidaan, jotta vältetään metastabiilisuuden muodostuminen Rx-rekisteriin.

Jotta suunnittelijat voivat varmistua siitä, että Rx-rekisterissä ei ole metastabiilisuuksia, he tuottivat rajoituksia, jotka tarkistivat, että eristyspolkujen kohderekisterit olivat yhteydessä oikeaan kelloon.

Kaikki jäljellä olevat rikkomuspolut osoittivat, missä eristäminen oli toteutettu väärin.

Tämän takia suunnittelijoiden täytyi liittää Rx-rekisteri oikeaan kohdekelloon. Tämä vähävirtainen eristyksen verifiointiETNdigi - 1/2021

Kuva 5. Vähävirtainen signaalin eristyspolku.

menetelmä antoi suunnittelutiimille mahdollisuuden havaita ja korjata virheellinen eristyslogiikan toteutus.

Löytyneet CDC-rikkomukset: • Eristyksen enable-signaalilla ei ole oikeaa synkronoijaa (43378) • Tehotietoinen yhdistelmälogiikka on ennen synkronoijaa (14) • Tehotietoinen fan-in- logiikka useista kellodomaineista (10) JOHTOPÄÄTÖS Vähävirtaisten spesifisten skeemojen avulla suunnittelijat voivat erottaa toisistaan ne CDCpolut, joihin vähävirtaisuus ei vaikuta ja CDC-polut, joihin vähävirtainen logiikka vaikuttaa.

Vähävirtaiseen suunnitteluun keskittyneille kehitystiimeille erilliset skeemat mahdollistavat sen, että CDC-ongelmia on helpompi tunnistaa, tarkistaa ja korjata.

IEEE 1801 -standardin peräkkäisten hienosäätölisäysten ansiosta suunnittelijat voivat aloittaa piirien osien tehonsyötön suunnittelun ja verifioinnin aikaisemmassa vaiheessa suunnittelua ja jatkaa tehonsyöttöjen hienosäätöä koko suunnittelusyklin ajan.

On erittäin tärkeää, että suunnittelijat aloittavat tehonsyöttöverkkojen CDC-verifioinnin jo RTL-tasolla. Tehotietoisen CDCanalyysin avulla suunnittelutiimit voivat aloittaa CDC-analyysin ennen vähävirtaisen logiikan lisäämistä suunnitteluun toteutuksen aikana. Näin vältetään se, että CDC-virheet havaitaan suunnitteluvuossa myöhään, vasta porttitasolla.

Virranhallinta on edelleen kriittinen osa IoT- ja mobiililaitteiden suunnittelua. Vähävirtaisen suunnittelun kehittyessä suunnittelun ja verifioinnin menetelmien ja tekniikoiden kehittyminen jatkuu.

Tarkemman käsityksen edistyneen vähävirtaisen suunnittelun vaikutuksista CDC-suunnitteluun ja -verifointiin, ja erityisesti CDCongelmiin, jotka aiheutuvat tehonohjauslogiikan lisäämisestä suunnitteluun eristyssoluineen, retentiosoluineen ja tasonmuuntimineen (level shifters) saat Siemens EDA:n uudesta teknisestä dokumentista.

Did Power Management Break My CDC Logic? -dokumentissa kuvataan myös CDC-analyysin käyttöä todellisessa suunnittelussa ja esitetään sen tulokset.

Mikä ihmeen CDC? CDC (clock domain crossing) viittaa signaalin siirtymiseen yhdeltä kellotaajuusalueelta eli domainilta toiselle synkronisessa digitaalipiirissä. Mikäli signaali ei välity oikealla hetkellä tai sitä ei rekisteröidä, se saattaa näyttää asynkroniselta vastaanottavalla lohkolla.

Asynkroninen järjestelmä koostuu oskillaattorin generoimasta kellosignaalista ja sen domainista eli muistin elementeistä, jotka saavat tahdistuksensa ko. oskillaattorista. Muistien lähtösignaalit liitetään toisiinsa yhdistelmälogiikalla.

Signaalin siirtyminen yhdeltä alueelta toisella edellyttää, että se tahdistetaan toiseen kellotaajuuteen. CDC-analyysiä käytetään varmentamaan, että tämä tapahtuu oikein eikä eri kelloalueiden välillä synny metastabiilisuutta, jolloin bitin tilaa ei voitaisi lukea.

Page 63

Want to join us?

• ETNdigi is a special digital magazine from ETN. We cover components, test & measurement, radios & networks and the whole scope of embedded software. To put it short: Everything related to electronics & embedded design.

• In 2021 we plan to publish two magazines. The 2nd issue is planned for October-November.

• Want to join us? Just contact ETN editor-in-chief Veijo Ojanperä at vo@etn.fi or our sales manager Anne-Charlotte Sparrvik at ac@etn.fi. More info about the pricing can be found at etn.fi/advertise