ek042020 by leshabarad

12+

4/2020

«Производство электроники» №1 – журнал в журнале (c. 6)

Питер Йойтер, вице-президент отдела продаж Renesas Electronics: у нас есть стандарты ведения бизнеса

(c. 42)

Принцип работы, типы, преимущества и недостатки, характеристики и моделирование усилителей Догерти

(c. 30)

Преобразователи компании Alexander Electric SRO: высокое качество для жестких условий эксплуатации

Самые доступные ПЛИС СнК с аппаратным процессорным ядром Cortex-M3 Управление двигателем Умные бытовые приборы Интерфейс человек-машина

Управление двигателем Интерфейс управления для ПЛК

Аппаратура контроля Тестовое оборудование

Защита информации

Обработка изображений Медицинское оборудование

Управление дисплеями

SoC FPGA

LittleBee® Family GW1NS/SR Series

Конфигурация

Интегрированное 32-бит ядро Cortex-M3 ARM Cortex-M3 (60 МГц) Память 128 Кбайт

Один, для всего ADC

MIPI

ARM Cortex-M3

USB 2.0 PHY

MIPI

Интегрированный АЦП 8 каналов 12 бит Скорость преобразования 1 МГц Частота сэмплирования до 16 МГц

Платформа разработки GOWIN

MIPID-PHYGPIO (5-контактный вход, 5-контактный выход, поддержка 1080р) I3С

Интегрированный USB2.0 PHY Скорость передачи данных 480 Мбит/с Тип С

Комплексный подход к разработке Программная и аппаратная поддержка ПЛИС

Поддержка двух образов, загрузка с выбором операционной системы Онлайн-обновление Удаленное обновление

Встроенная pSRAM Встроенная память pSRAM: 32 Мбит Тактовая частота памяти: до 166 МГц

Серия GW1NS ПЛИС СНК компании Gowin Semiconductor это первое поколение со встроенным микроконтроллером в семействе LittleBee. ПЛИС этой серии имеют встроенное аппаратное процессорное ядро Arm Cortex-M3, USB2.0 PHY, выделенные цепи ввода-вывода MIPI D-PHY, пользовательскую флэш-память и АЦП. Высокоуровневая интеграция аппаратных блоков и ПЛИС в одном корпусе обеспечивает очень компактное решение практически любых задач, связанных с управлением в промышленных системах, коммуникациях, интернете вещей, а также в автомобильных системах.

Для получения полной информации по данным модулям обращайтесь в ближайший офис компании Гамма. Выборг тел. +7(812)320 40 53 факс +7(81378)35477 e-mail: info@icgamma.ru

Санкт-Петербург тел. +7 (812) 312 61 60 e-mail: ialekseev@icgamma.ru

Москва тел. +7 (495) 965 36 83 e-mail: sh@icgamma.ru

Ульяновск тел. +7 (8422) 256 911 e-mail: giv@icgamma.ru

Екатеринбург тел. +7 (343) 286 75 12 e-mail: shelamov@icgamma.ru

содержание ЭК

№04/2020 РЫНОК 6 Компания Renesas Electronics. Знакомые незнакомцы

РАЗРАБОТКА И КОНСТРУИРОВАНИЕ

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ 14 Райли Бек Разработка PoE-PD-решений для интернета вещей

20 Наталья Солошенко Скорая ЭМС-помощь 24 Игорь Колобов Выбор параметров ЭМП-фильтра

ИСТОЧНИКИ И МОДУЛИ ПИТАНИЯ 30 Александр Гончаров Можно ли конкурировать с TRACO POWER? Нужно! 34 Омар Хармон, Франческо ди Доменико, Шриватса Рагхунтатх Зарядные устройства мощностью до 150 кВт для быстрого заряда электромобилей

журнал для разработчиков

10 По материалам компании Renesas Уменьшение габаритов инверторов с помощью оптронов

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ

www. elcp.ru

редакционная коллегия: Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; реклама: Антон Денисов; Елена Живова; распространение и подписка: Марина Панова, Василий Рябишников; директор издательства: Михаил Симаков Адрес издательства: Москва,115114, ул. Дербеневская, д. 1, п/я 35, тел.: (495) 741-7701; факс: (495) 741-7702; эл. почта: info@elcp.ru, www.elcp.ru ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА: Мир электроники (Самара): 443080, г. Самара, ул. Революционная, 70, литер 1; тел./факс: (846) 267-3139, 267-3140; е-mail: info@eworld.ru, www.eworld.ru. Радиоэлектроника: 620107, г. Екатеринбург, ул. Гражданская, д. 2, тел./факс: (343) 370-33-84, 370-21-69, 370-19-99; е-mail: info@radioel.ru, www.radioel.ru. ЭЛКОМ (Ижевск): г. Ижевск, ул. Ленина, 38, офис 16, тел./факс: (3412) 78-27-52, е-mail: office@elcom.udmlink.ru, www.elcompany.ru. ЭЛКОТЕЛ (Новосибирск): г. Новосибирск, м/р-н Горский, 61; тел./факс: (3832) 51-56-99, 59-93-31; е-mail: info@elcotel.ru, www.elcotel.ru. Издательство «Электроника инфо»: 220015, Республика Беларусь, г. Минск, пр. Пушкина 29Б. Teл./факс: +375 (17) 204-40-00. E-mail:electronica@nsys.by, www.electronica.by. Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory». Использование материалов возможно только с согласия редакции. При пере печатке материалов ссылка на журнал «Электронные компоненты» обязательна. Ответственность за достоверность информации в рекламных объявлениях несут рекламодатели. Индекс для России и стран СНГ по каталогу агентства «Роспечать» — 47298, индекс для России и стран СНГ по объединенному катало гу «Пресса России. Российские и зарубежные газеты и журналы» — 39459. Свободная цена. Издание зарегистрировано в Комитете РФ по пе чати. ПИ №77-17143. Издание зарегистрировано на Украине, свидетельство о государственной регистрации КВ№17602-6452 ПР. Дата выхода номера 13.04.2020 г. Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 6000 экз. Отпечатано в типографии «Премиум Пресс» 197374, Санкт-Петербург, ул. Оптиков, 4

электронные компоненты

Руководитель направления «Разработка электроники» и главный редактор Леонид Чанов редакторы: Владимир Фомичёв; Леонид Чанов;

39 Али Хусейн Снижение эксплуатационных расходов ЦОД с помощью интеллектуальных систем управления питанием

содержание

АНАЛОГОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

42 Григорий Стародубцев Усилители Догерти для современных систем связи 46 Дмитрий Воробьев Ограничение выходного сигнала в усилителях 54 Петр Карташов Повышение стабильности операционного усилителя 60 Александр Воронков Замена усилителей класса АВ усилителями класса D

ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ 64 Крис Ли Обратноходовые преобразователи на основе GaN-технологии от компании Power Integrations

www.elcomdesign.ru

68 Нилс Солтау, Экхард Тхал, Тору Мацуока Силовые SiC-модули следующего поколения

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ И МИКРОПРОЦЕССОРЫ 74 Николас Демулен Доверенная платформа для обеспечения безопасности на всех этапах разработки

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ 78 По материалам компании TME Разъемы питания DC фирмы Amass

СПРАВОЧНЫЕ СТРАНИЦЫ 80 Леонид Авгуль, Сергей Курносенко, Виктор Кряжев, Юрий Юреня, Петр Волончук, Роман Сидорюк Микросхема аналого-цифрового преобразователя 1259НВ014 (функциональный аналог 572ПВ1А) 84 Новинки месяца Редакционный обзор 93 НОВЫЕ

КОМПОНЕНТЫ НА РОССИЙСКОМ РЫНКЕ

contents # 0 4 / 2 0 2 0

E L E C T R O N I C CO M P O N E N T S # 0 4 / 2020

MARKET 6 Renesas Electronics. Familiar Strangers

DESIGN and DEVELOPMENT 10 Based on materials from Renesas Isolation Device Solution for Downsizing of Industrial Automation and Solar Inverter

NETWORKS and INTERFACES 14 Riley Beck Designing a PoE-PD for IoT

EMC 20 Natalya Soloshenko EMC Ambulance

POWER SUPPLIES 30 Alexander Goncharov Is It Possible to Compete with the TRACO POWER? You Need It! 34 Omar Harmon, Francesco Di Domenico and Srivatsa Raghunath Implementing Fast DC BEV Chargers Up to 150 kW 39 Ali Husain Smart Power Solutions for Data Centers Reduce Size, Enhance Reliability and Cut Operating Costs

ANALOG 42 Grigory Starodubtsev Doherty Amplifiers for Modern Communicati on Systems

54 Peter Kartashov Increase Stability of the Op Amp 60 Alexander Voronkov Replacing Class AB Amplifiers with Class D Amps

DISCRETE POWER 64 Chris Lee GaN-based Flyback Converters from Power Integrations 68 Nils Soltau, Eckhard Thal and Toru Matsuoka The Next Generation of SiC Power Modules

MICROCONTROLLERS and MICROPROCESSORS 74 Nicolas Demoulin Trust Platform Provides Security from Concept to Deployment

PASSIVE 78 Based on materials from TME DC Power Connectors from Amass 80 Leonid Avgul, Sergey Kurnosenko, Victor Kryazhev, Yury Yurenya, Peter Volonchuk and Roman Sidoryuk ADC IC 1259НВ014 (572PV1А Device Similar in Operation)

REFERENCE PAGES 84 Newly-Designed Products. Monthly Editorial Review 93 NEW

COMPONENTS IN THE RUSSIAN MARKET

электронные компоненты №04 2020

содержание

24 Igor Kolobov Selection Parameters for EMI Filter

46 Dmitry Vorobyov Separating Linear from Slew Limited Performance in High Speed Amplifiers

Компания Renesas Electronics. Знакомые незнакомцы

рынок

Питер Йойттер (Peter Jeutter), вице-президент отдела продаж Renesas Electronics

Компания Renesas Electronics, конечно, известна в России, но до недавнего времени ее присутствие на российском рынке носило, если можно так выразиться, фантомный характер – официальные дистрибьюторы не были сильно заметны. В основном, компания была известна только благодаря выпускаемым микроконтроллерам, хотя ее производственная линейка гораздо шире. Относительно недавно положение дел изменилось – Renesas Electronics и российская компания «Сканти» подписали соглашение о сотрудничестве. Теперь «Сканти» является одним из официальных представителей Renesas Electronics в России, и у нас появился повод рассказать о ней. На наши вопросы ответил Питер Йойттер (Peter Jeutter), вице-президент отдела продаж Renesas Electronics.

– Начнем интервью с общих сведений о компании. – В настоящее время Renesas Electronics – глобальная компания, которая создает инновационные технологии и решения для встраиваемых систем, а также предлагает готовые полупроводниковые решения разного назначения, позволяющие миллиардам устройств надежно работать. Renesas – мировой лидер в области микроконтроллеров, аналоговых и цифровых изделий, компонентов по управлению питанием, систем-на-кристалле (СнК). Мы предлагаем потребителям комплексные решения для широкого ряда задач в автомобильной и бытовой электронике, автоматизации промышленности, информационных и коммуникационных приложениях, участвуя в формировании устойчивых возможностей развития на пути к безграничному будущему. Штаб-квартира компании находится в Токио (Япония); чистые продажи в 2018 г. составили 757,4 млрд иен; в штате компании – более 20 тыс. сотрудников по всему миру (по состоянию на 31 марта 2019 г.). – Представительства компании Renesas расположены в разных странах. Более того, – на разных континентах. Расскажите, как вам удается повсеместно поддерживать высокий уровень корпоративной культуры, ведь менталитет и традиции зависят от географического положения и имеют свои особенности? – Являясь глобальным игроком, мы анализируем собственный опыт управления на протяжении многих лет, благодаря чему у нас есть четкие стандарты ведения бизнеса, в соответствии с которыми и работают наши офисы по всему миру. Все подразделения Renesas независимо от дислокации имеют общий план, который определяет стратегию развития, миссию и ценности компании. Каждый сотрудник отлично понимает, к чему стремится компания, какие методы мы используем в работе, знает особенности взаимодействия внутри нашей организации и с внешним окружением (клиентами, государством). Мы также понимаем важность ведения бизнеса с учетом специфики локальных рынков. Работая

www.elcomdesign.ru

в России, мы стремимся к долгосрочному сотрудничеству с партнерами и заказчиками, поэтому тщательно анализируем российский рынок и предлагаем именно тот ассортимент продукции и условия, которые являются оптимальными для клиентов. – Многие производители высокотехнологичной продукции уделяют особое внимание R&D, поскольку это ключ к созданию инноваций. Предлагаю рассказать о центрах исследования и разработок компании Renesas. – Действительно, являясь лидером на рынке полупроводников, мы понимаем важность исследовательской деятельности для нашего бизнеса, которая позволит занять лидирующие позиции и предложить клиентам решения не просто высокого качества, а способствующие созданию передовой продукции. Центры R&D расположены по всему миру, включая Японию, Малайзию, США и Китай. В соответствии со стратегическим планом развития компании мы активно инвестируем в этот вид деятельности. – Расскажите о присоединении компании Intersil. – Сделка по приобретению компании Intersil проходила в рамках расширения производственных направлений нашего бизнеса. Хорошо известные высокотехнологичные микроконтроллеры и системы-на-кристалле от Renesas в сочетании с уникальными возможностями Intersil по управлению питанием и прецизионными аналоговыми изделиями позволили нам создать комплексные решения для ключевых сегментов рынка, включая автомобильный, промышленный, здравоохранение и интернет вещей (IoT). Приобретение Intersil также стало важным шагом на пути к интернационализации нашего бизнеса, что привело к расширению географии продаж и активному развитию направления за пределами Японии. Объединив свой управленческий опыт с потенциалом команды Intersil, мы создали эффективную глобальную систему взаимодействия всех подразделений.

– Аналогичный вопрос относительно поглощения компании IDT. Что вы ждете от совершенной сделки? – Как известно, IDT славится своими технологиями в сфере интегрированных устройств. Изделия этого производителя лидируют в области ВЧ-СВЧ-компонентов, высококачественных элементов синхронизации, интерфейсов памяти, часов реального времени, специализированных генераторов и разветвителей тактовых сигналов, беспроводных источников питания и интеллектуальных датчиков. Мы совместили опыт обеих компаний и разработали инновационные идеи по совместному использованию компонентов Renesas и IDT в типовых задачах. Эти идеи мы назвали Winning Combinations («Выигрышные комбинации»). Они представляют собой схемы устройств с передовыми технологическими характеристиками для промышленного, автомобильного и потребительского сегментов. В настоящее время создано более 80 комбинаций, и их число будет увеличиваться. Наши взаимодополняющие изделия линеек Analog + Power + Embedded Processing помогают ускорить разработку, быстрее выйти на рынок и коммерциализировать продукт, сократив затраты. – Давайте уделим более пристальное внимание обновленному ассортименту компании. Опишите, пожалуйста, положение Renesas на мировом рынке по основным товарным группам. По каким направлениям вы являетесь лидером? Renesas считается, в первую очередь, микроконтроллерной компанией. Насколько справедлива эта точка зрения? – Renesas является мировым лидером на рынке полупроводников, предлагая лучшие и высокопроизводительные решения на основе широкого выбора микроконтроллеров, аналоговых, силовых изделий и СнК. Предлагаю рассмотреть наши основные семейства изделий.

Семейство 32‑разрядных микроконтроллеров RX с высокой энергоэффективностью В состав этого семейства RX входят изделия четырех серий: флагманской серии RX700 с самой высокой производительностью и усовершенствованными функциями; стандартная серия RX600; серия RX200, которая обеспечивает оптимальный баланс между энергоэффективностью и высокой производительностью; серия RX100 начального уровня с очень малым энергопотреблением. Эти продуктовые линейки обеспечивают масштабируемость, начиная с небольших и заканчивая весьма крупными приложениями. Семейство 32‑разрядных микроконтроллеров Renesas RA с ядром ARM Cortex-M Это лидирующие в отрасли 32‑разрядные МК с процессорными ядрами ARM Cortex-M33, M23 и M4, получившие сертификацию PSA (Platform Security Architecture) [1]. МК RA обладают

Высокопроизводительные 64‑ и 32‑разрядные ARM-микропроцессоры Renesas RZ Это высококачественные 32/64‑разрядные микропроцессоры (MPU), обеспечивающие решения для интеллектуального общества будущего. С помощью устройств на базе ARM Cortex-A7, A9, A15, A53, A57 и R4 можно легко реализовать задачи, связанные с человеко-машинными интерфейсами (HMI), машинным зрением, встроенным искусственным интеллектом (e‑AI), системами управления в режиме реального времени и промышленным Ethernet. Встраиваемые контроллеры RE на базе технологии SOTB, контроллеры сбора энергии Семейство RE, основанное на инновационном технологическом процессе SOTB от компании Renesas, потребляет очень малый ток и в активном режиме, и в режиме ожидания, обеспечивает высокоскоростную работу при низком напряжении питания, чего невозможно достичь при использовании стандартной технологии с объемными транзисторами. Встроенный контроллер сбора энергии и 32‑разрядный процессор позволяют разрабатывать безбатарейные интеллектуальные устройства IoT, получающие энергию из окружающей среды и не требующие обслуживания. Семейство RH850 (только для автомобилей) RH850 – новейшее семейство автомобильных микроконтроллеров Renesas Electronics, которое имеет высокую производительность при очень низком энергопотреблении. Это семейство обеспечивает впечатляющий уровень функциональной безопасности для новых передовых автомобильных приложений. МК семейства RH850 – первые в отрасли микроконтроллеры, которые Renesas начала производить по 40‑нм технологическому процессу несколько лет назад; новые изделия планируется выпускать по 28‑нм процессу. МК этого семейства реализованы с разными структурами ядра ЦП (одно-, многоядерные, ступенчатые и их комбинации) для соответствия требованиям к высокой производительности или высокой надежности. Микросхемы для автоматизации производства (R‑IN) Развитие Industry 4.0 и промышленного интернета вещей (IoT) вызывает необходимость в повышении производительности предприятий. Использование сетей на основе Ethernet на заводах становится все более распространенным, поскольку детерминистическая и безопасная связь на всех уровнях предприятия важна как никогда. Renesas предлагает большой ассортимент продукции для поддержки решений промышленных Ethernet-сетей, что приведет к увеличению производительности предприятий и снижению себестоимости выпускаемой продукции. Платформа RZ/G Linux позволяет решить вопросы, связанные с разработкой для ОС Linux, предоставляя возможность быстрого вывода продукции на рынок. Время выхода платформы Linux на рынок сокращается до 40%, а затраты на разработку – до 80%. Программно-аппаратная платформа Synergy, включающая микроконтроллеры четырех отдельных серий и полный набор коммерческого ПО, предназначена для конечных приложений, начиная с подключенных мобильных устройств для рынка IoT и заканчивая высокопроизводительными контроллерами встраиваемых систем. Все ПО Synergy (RTOS, драйверы и коммуникационные стеки) адаптировано и протестировано для работы с микроконтроллерами платформы, не имеет функ-

электронные компоненты №04 2020

рынок

Семейство 8-/16‑разрядных микроконтроллеров сверхнизкого энергопотребления RL78 Микроконтроллеры RL78 значительно повышают энергоэффективность благодаря наилучшему в отрасли низкому энергопотреблению 45,5 мкА/МГц в рабочем режиме и 0,57 мкА/МГц в спящем режиме при включенных функциях RTC (Real Time Clock) и LVD (Low Voltage Detection). Встроенные функции помогают снизить затраты на разработку и уменьшить размер готовых изделий. Речь идет о встроенном 1-% высокоскоростном генераторе, флэшпамяти с возможностью записи в фоновом режиме (1 млн перезаписей), датчике температуры и интерфейсных портах, адаптированных для нескольких источников питания.

многими ключевыми преимуществами по сравнению с микроконтроллерами ARM Cortex-M других производителей.

циональных ограничений уже после первой установки, что позволяет значительно сократить время разработки. Благодаря широкому ряду сочетаний производительности, функций и совместимости выводов каждой серии микроконтроллеры Synergy обеспечивают потребности в масштабируемости, энергопотреблении, повторном использовании кода и необходимой эффективности для рынка встраиваемых систем. Микросхемы синхронизации и цифровой логики Renesas предлагает на выбор стандартные для этой отрасли генераторы и тактовые генераторы на основе кварцевых резонаторов и RC, а также микросхемы часов реального времени. Цепи синхронизации обеспечивают синхронизацию импульсов и синхронизацию в цифровых системах, а также в схемах импульсной модуляции. Часы реального времени предоставляют фактическое время в цифровом формате для дисплеев часов и компьютерных систем. Аналоговые изделия Наш широкий ассортимент аналоговых компонентов предназначен для большого спектра высокоточных измерительных приборов следующего поколения – медицинских и коммуникационных, а также для промышленных систем управления, где высокая производительность и высокая точность сочетаются с новизной, надежностью и безотказностью, которые являются центральными в аналоговой конструкции.

рынок

Устройства электропитания Наш портфель изделий для электропитания включает широкий ряд низковольтных и высоковольтных компонентов, выполненных с использованием передовых технологий компании в области производства и корпусирования изделий. Эти решения отвечают требованиям самых сложных современных систем энергопитания на инфраструктурном, мобильном, промышленном, автомобильном и авиакосмическом рынках.

Изделия для эксплуатации в космосе и экстремальных условиях История и опыт Renesas в космической отрасли насчитывает десятилетия, начиная с основания Radiation, Inc. в 1950 г. Renesas использует этот опыт для создания эффективных, термически оптимизированных и надежных продуктов, соответствующих стандарту MIL-STD‑883 (/883) и продуктов класса V/Q для оборонной, высоконадежной (Hi-Rel) и радиационно-стойкой космической техники. Как уже упоминалось, приобретение Intersil и IDT позволило компании Renesas увеличить портфель изделий и выйти за пределы фокусного поставщика микроконтроллеров и микропроцессоров. В настоящее время компания предлагает гораздо более широкую номенклатуру изделий.

– В каких сегментах рынка лидирует Renesas? Какие основные области применения продукции компании вы можете выделить? – Наша компания специализируется на решениях для автомобильной промышленности, IoT и инфраструктуры. В первую очередь, я хотел бы выделить решения для автомобильного рынка. Являясь ведущим поставщиком микроконтроллеров и СнК для управления транспортными средствами, Renesas помогает автомобильной промышленности реализовать самые передовые проекты. В 2018 г. объем наших поставок МК и СнК достиг 1,3 млрд ед., что можно считать достаточно успешным показателем для этой сферы. Наши технологии учитывают последние тенденции развития отрасли: экономичный расход топлива, высокую эффективность двигателя, системы помощи при вождении, контроль

www.elcomdesign.ru

систем автомобиля, формирование информационно-развлекательной среды, безопасность и надежность. Мы выпускаем продукцию наилучшего качества, обеспечивая низкую частоту отказов на уровне 0,1 ppm. Стоит обратить внимание и на полный спектр решений в области интернета вещей, систем для организации умного производства, умного дома и умной инфраструктуры от Renesas для повышения продуктивности человеческого труда, улучшения взаимосвязи между человеком, его домом и окружающей средой. Мы уделяем особое внимание созданию технологий для встроенного искусственного интеллекта. Кроме того, компания разработала уникальное семейство микроконтроллеров по технологии «кремний на углубленном оксидном слое» (SOTB). Помните, я сказал, что именно МК семейства RH850 являются первыми в отрасли микроконтроллерами, которые мы начали производить по 40‑нм технологическому процессу несколько лет назад. Теперь же мы планируем заняться разработкой новых изделий для 28‑нм процесса. Благодаря внушительному опыту в этой сфере мы гарантируем, что сможем решить любые поставленные задачи. Компания Renesas предлагает и другие инновационные решения. – На сегодняшний день Renesas – единственный производитель, который продолжает активно разрабатывать собственные процессорные ядра для 32‑разрядных микроконтроллеров. Третья версия ядра RXv3 появилась около года назад. Чем вас не удовлетворяют ядра ARM, которые фактически стали отраслевым стандартом? – Компания Renesas продолжит инвестировать в совершенствование собственных микроконтроллеров. Серия RX является приоритетной у многих заказчиков благодаря высокому уровню производительности и широкой номенклатуре. Мы продолжим расширять производство RX, предлагая такие изделия, как например, недавно анонсированный RX72M. Наша компания работает не только с собственным ядром RX, но и с ядрами ARM, создавая оптимальное предложение для клиентов, которые хотят использовать существующие программно-аппаратные наработки на базе традиционной платформы совместно с ARM-экосистемой. Например, 8 октября 2019 г. мы запустили новую серию микроконтроллеров семейства RA на ядрах ARM. Эта серия однозначно дополняет наш ассортимент МК, включающих также известные семейства Renesas Synergy и RX. Помимо микроконтроллеров RA и Synergy разрабатывается ряд решений серии МК RZ на базе процессоров ARM Cortex-A. Микроконтроллеры серий RA, Synergy и RZ на базе ядер ARM, запатентованное семейство RX являются значимым и перспективным направлением для нас. Мы и дальше будем инвестировать в их разработку и производство. – Давайте поговорим о 8-16‑разрядных микроконтроллерах. – На текущий момент компания Renesas заняла достаточно устойчивое положение в области 8-16‑разрядных микроконтроллеров. RL78 – флагманское семейство мощных 16‑разрядных МК с низким энергопотреблением. Эти компоненты являются оптимальными по стоимости и подходят для малопотребляющих масштабируемых решений. Семейство RL78 является перспективным и многообещающим для нас. Мы продолжим расширять эту продуктовую линейку. – Ассортимент Renesas включает в себя семейство высокопроизводительных многоядерных микроконтроллеров RZ. Однако объем информации о них очень мал. Можно ли

предположить, что эти МК значительно превосходят аналоги конкурентов, и потому компания не спешит делиться своими секретами? Есть ли похожие продукты в номенклатуре производителя? – Семейство высокопроизводительных 32‑ и 64‑разрядных микроконтроллеров RZ на базе ARM Cortex-A7, A9, A15, A53, A57 и R4 обеспечивает решения для человеко-машинных интерфейсов с высоким разрешением, встроенного искусственного интеллекта, управления в реальном времени и промышленных Ethernet-сетей. На сайте Renesas опубликована подробная информация о семействе RZ: таблицы, описания, руководства пользователя и многое другое.

– Как компания Renesas видит свое будущее? Интересно узнать, как формируется стратегический план глобальной компании, как организуется этот процесс? – Компания Renesas стремится к непрерывному росту и повышению финансовых показателей бизнеса в среднесрочной и долгосрочной перспективах, а также к совместному развитию в рамках корпоративной социальной ответственности. Мировая полупроводниковая отрасль быстро изменяется. Чтобы добиться успеха, нужно не только отслеживать тенденции развития, но и быть в ряду разработчиков передовых технологий, предлагая такие решения, которые превосходят требования заказчиков, позволяя им создавать изделия совершенно нового уровня. С помощью управленческого состава компании мы также формируем функциональные стратегии: маркетинга, финансового планирования, производства и т. д., предусматривающие несколько сценариев развития. Благодаря этому мы имеем возможность предложить клиентом инновационные решения лучшего качества по оптимальной цене. В настоящий момент руководство Renesas работает над обновлением среднесрочного плана, который будет опубликован в I кв. 2020 г. – И последний вопрос – относительно особенностей продвижения компании Renesas на российском рынке электронных компонентов. Какие ключевые изделия и направления бизнеса можно выделить? Расскажите о планах Renesas в этой области. – Российский рынок электронных компонентов развивается относительно стабильно. Для нас Россия – перспективное направление, т. к. у нас имеется много изделий, которые очень хорошо отвечают потребностям этого рынка. Renesas заключила соглашение с локальными дистрибьюторами, с помощью которых создаются интересные проекты. Хотелось бы отметить такие сегменты локального рынка как контрольно-измерительное оборудование, электро-, тепло- и водосчетчики, автоматизация домов, безопасность. Именно эти направления мы выделяем как приоритетные. Литература 1. www.psacertified.org.

Интервью подготовил Леонид Чанов при поддержке официального представителя компании Renesas в России – компании «Сканти»

рынок

– Ваше мнение о перспективах развития электронной отрасли в ближайшем будущем. Какие рыночные тенденции и возможные сценарии, по вашему мнению, станут основными в области IoT? – Ключевой тенденцией развития, прослеживающейся в 2020 г., я назвал бы активно развивающуюся область интернета вещей, в частности Embedded Security. Несмотря на то, что большинство клиентов в течение многих лет внедряет системы безопасности в свои разработки, растет число заказчиков, которые вынуждены впервые задуматься об аспектах безопасности в соответствии с требованиями нового законодательства по защите интеллектуальной собственности, в связи с повышением уровня конкуренции или по ряду других причин. Естественно, у клиентов – разные потребности, ведь уровень уязвимости к угрозам и степень их вероятности также различаются. Финансовые потери от компрометации безопасности у каждого клиента разные: например, киберугроза для одного устройство может иметь очень незначительные последствия для производителя, если экземпляры серии устройства в чем-то уникальны и различны. Однако для другого клиента успешный взлом одного устройства может означать, что все остальные экземпляры могут подвергнуться аналогичному взлому, а это приводит к потенциальной потере спроса на всю линейку изделий. В результате каждый клиент должен грамотно оценить угрозы, соответствующие конкретным обстоятельствам, учесть возможную стоимость потенциального взлома, вероятность атаки и свою готовность к затратам на уменьшение этих рисков. Исходя из этого, можно определить наиболее подходящую стратегию безопасности. Безопасность зависит от многих элементов: аппаратного и программного обеспечения, каналов связи, физического расположения оборудования и т. д. Встроенный микроконтроллер находится в центре электронной системы и как тако-

вой является одним из ключевых элементов для обеспечения системы безопасности на высоком уровне.

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| В Москве появятся 400 умных перекрестков |

Центр организации дорожного движения правительства Москвы в 2020 г. сделает 400 умных перекрестков. В 2019 г. появилось около сотни умных перекрестков, которые сокращают заторы и ускоряют работу именно городского транспорта. Приложение за счет нескольких типов датчиков, соответствующей информационной транспортной системы выделяет из потока автобусы, трамваи, электробусы и отдает команду на приоритет проезда. Таким образом, включается зеленый сигнал светофора. Оборачиваемость перекрестка возрастает примерно в два раза. Для реализации умных перекрестков в асфальтовое полотно устанавливаются датчики, которые распознают появление городского транспорта и позволяют сразу включать зеленый свет для их приоритетного проезда. Для автомобилистов такая схема тоже удобна, т. к. они останавливаются только тогда, когда необходимо пропустить, например, автобус. В целом, среднее время прохождения перекрестка существенно сокращается примерно на 15–20%. Умная система управления светофорами работает во многих странах – в Сингапуре, США, Дании, Нидерландах. Например, в ЛосАнджелесе скорость езды автобусов по городу возросла на четверть при внедрении умного управления. Система, которая внедряется в Москве, основана на общепризнанной мировой технологии, адаптированной к столичным условиям. www.russianelectronics.ru

электронные компоненты №04 2020

Уменьшение габаритов инверторов с помощью оптронов Renesas По материалам компании Renesas Перевод: Андрей Лебедев, руководитель направления полупроводников, ООО «Сканти», laa@scanti.ru

При разработке инверторов промышленного назначения и преобразователей солнечной энергии встречаются три требования – снижение габаритов, общей стоимости и соответствие стандартам безопасности. Разработчикам трудно реализовать малые размеры и удовлетворить требованиям стандартов, используя традиционные компоненты изоляции схем. В статье описаны основы требований безопасности и показано, как оптроны серий RV1S92xxA и RV1S22xxA производителя Renesas помогают сократить до 35% места между цифровой и силовой частью схемы инвертора.

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

Введение

В современных промышленных устройствах (сервоприводах, инверторах, роботах-манипуляторах) габариты напрямую влияют на возможность установки этих устройств в помещение (в цех завода, ангар и т. д.). При этом нельзя уменьшать ниже определенного значения путь поверхностного разряда – минимальное расстояние на всех поверхностях устройства, не допускающее пробоя, чтобы не нанести вред человеку или электронике. Минимальное расстояние «ползучего» разряда (creepage) – параметр стандарта безопасности электрооборудования. Таким образом, рыночный спрос на сокращение размеров устройств упирается в невозможность уменьшения элементов изоляции этих устройств. Для чего уменьшают габариты?

На современных промышленных предприятиях (например, автозаводах) идет борьба за производительность оборудования и снижение потребления энергии. Компактные устройства выполняют большую удельную работу на квадратный метр площади, предприятие экономит на аренде. Сокращается время выполнения операций, время на перемещения внутри и между помещениями. Требуется меньше операторов (людей) в зоне со множеством механизмов (роботов, манипуляторов) из-за более компактного размещения последних. Разумеется, оставшиеся операторы должны обладать соответствующими навыками. Компактные устройства автоматизации позволяют оперативнее реагировать на изменения рынка. Проще менять элементы конвейера, транспортировать, дополнять производство новым оборудованием. Сокращение размеров также позитивно влияет на окружающую среду. Используется меньше материалов (корпусов, плат, проводов), уменьшаются затраты на электроэнергию, используемую на охлаждение и освещение цехов. Сокращаются выбросы от грузовиков, самолетов, кораблей – предполагается, что и в транспортной логистике будут использоваться электротранспортные средства и электромеханизмы с меньшими габаритами и достаточной безопасностью. Еще один пример – концепция жилых домов без внешнего электроснабжения, где при строительстве дома на крышу

www.elcomdesign.ru

и стены (кроме северной) устанавливаются солнечные панели. В доме размещаются инверторы и контрольное оборудование, все оборудование соединяется и разводится по квартирам. Уменьшение размеров инверторов в данном случае – актуальная задача. Стандарты безопасности

Стандарт МЭК/UL 61800–5-1 задает параметры безопасности электроприводов для управления скоростью электродвигателей. Согласно ему электрооборудование с усиленной изоляцией (типа AC200V) должно содержать компоненты изоляции с большим расстоянием ползучего разряда, чем в предшествующем стандарте. Похожие требования имеются и в стандарте МЭК/UL 61010–2-201, описывающем программируемые логические контроллеры. Кроме того, согласно МЭК 61508, в многоканальных устройствах необходимо обеспечивать изоляцию каждого канала от остальных. Очевидно, что новые стандарты безопасности «выступают против» уменьшения размеров устройств. Требования ужесточаются также к отведению тепла в связи с более компактным размещением компонентов. Компания Renesas предлагает использовать оптроны новой разработки, у которых узкий корпус для плотной компоновки, расстояние между выводами входа и выхода 8,2 мм, а температурный диапазон достигает 125°C. Схема инвертора

На рисунке 1 показана схема инвертора для высоковольтных промышленных устройств и солнечных панелей. Для снижения потерь на силовых ключах и оптимизации потребления управляющей схемы выбраны компоненты производителя Renesas. В схеме применяются оптроны разных типов. Драйверы IGBT и интеллектуальных модулей передают управляющие ШИМ-сигналы от микроконтроллера (RX66T) силовым ключам. Изолирующие усилители и дельта-сигма модуляторы используются для измерения тока фаз двигателя и напряжения на линии. Кроме того, в с хеме имеется низковольтная час ть (на микроконтроллере RX65N), которая отвечает за отображение информации на дисплее, управление вентиляторами

Рис. 1. Функциональная схема 3-фазного инвертора

Оптроны в узком длинном корпусе

В с татье рассматриваютс я оптроны Renesas серий RV1S92xxA и RV1S22xxA в корпусе шириной 2,5×10,2 мм с изолирующим расстоянием 8,2 мм. Изоляторы рассчитаны на напряжение пробоя 5 кВ (среднеквадратическое

значение, в течение 1 минуты) и рабочее напряжение изоляции 1,1 кВ. Все рассматриваемые оптроны предлагаются в исполнении, соответствующем стандарту безопасности DIN EN 60747– 5-5. Диапазон рабочей температуры компонентов: –40…115°C. Шаг выводов у оптронов этих двух групп составляет всего 0,65 мм, что примерно вдвое меньше, чем у остальных, и позволило сделать корпус уже, чтобы разместить изоляторы на меньшей площади. С учетом необходимости

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

и внешними интерфейсами связи. Цифровые оптроны обеспечивают оптическую развязку микроконтроллера и линий ввода-вывода.

Рис. 2. Новые корпуса микросхем позволяют сэкономить до 35% занимаемой площади

электронные компоненты №04 2020

Таблица 1. Основные параметры оптронов RV1S92xxA Макс. значения

Напр. питания, В

Вх. Ток, мА

Ток потребления, мА

Задержка (макс.), нс

Разброс, нс

CMH, CML (мин.), кВ/мкс

Темп., °С

Напр. изол., кВ

Активный низкий

2,7~5,5

2,6

–40~125

5,0

Активный низкий

4,5~25

1,3

500/750

650

–40~125

5,0

Функция

Изделие

Выход

Высокоскоростная связь (15 Мбит/с)

RV1S9260A

Привод IPM

RV1S9213A

Разводка выводов

Таблица 2. Основные параметры оптронов RV1S22xxA

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

Функция

Изделие

Разводка выводов

Коэфф. передачи тока

Макс. значения

@IF, мА

@VCE, В

VКЭ, В

Темп., °С

Напр. изол., кВ

DC-вход

RV1S2281A

50~400

–40~115

5,0

DC-вход (низкий вх. ток)

RV1S2211A

100~400

–40~115

5,0

AC-вход

RV1S2285A

50~400

–40~115

5,0

При деградации светодиода оптрон переходит в открытое состояние (т. е. не работает). При этом не возникает пробой или короткое замыкание, как это бывает у некоторых других компонентов изоляции при истечении срока службы. Расстояние между светодиодом и фотоприемником у оптоизоляторов этой группы составляет 150 мкм. Внутреннее пространство заполнено смолой и покрыто сверху герметизирующим составом (см. рис. 3). Выводы

Рис. 3. Поперечное сечение микросхемы гальванической развязки

делать развязку отдельно для каждого управляющего сигнала и линий обратной связи экономия места достигает 35% (см рис. 2). В таблицах 1–2 приведены основные параметры оптронов RV1S92xxA и RV1S22xxA. Внутренняя входная схема оптронов одинакова – светодиод соединен с входными выводами и покрыт силиконовым компаундом. Имеются три варианта схемы выходного каскада: фототранзистор, цифровой КМОП-выход или выход с открытым коллектором для управления затвором силового ключа.

Оптопары и другие опторазвязывающие компоненты уже несколько десятков лет обеспечивают изоляцию и защиту. Требования к безопасности электрооборудования растут, габариты вынужденно сокращаются. Отвод тепла от электронных схем усложняется. Компания Renesas выпускает оптроны для плотной компоновки на платах управления инверторами. Инверторы применяются в современных промышленных устройствах, которые должны соответствовать стандартам безопасности МЭК/UL 61800–5-1 и другим. Литература 1. Isolation Device Solution for Downsizing of Industrial Automation and Solar Inverter. White Paper. Renesas Electronics Corp. 2019. 2. www.renesas.com/products/optoelectronics.html.

СОБЫТИЯ РЫНКА

| Мировой рынок материалов для полупроводникового производства в прошлом году сократился |

Объем мирового рынка материалов для полупроводникового производства в 2019 г. сократился на 1,1%. Об этом сообщила отраслевая ассоциация SEMI, представляющая компании, занимающиеся проектированием и производством микроэлектронной продукции. Продажи материалов для производства пластин уменьшились на 0,4%, с 33,0 до 32,8 млрд долл., а продажи материалов и химикатов для техпроцессов сократились более чем на 2%. Продажи материалов для корпусов полупроводниковых изделий сократились на 2,3% – с 19,7 до 19,2 млрд долларов. Небольшой рост наблюдался лишь в двух категориях, одна из которых – подложки для упаковки кристаллов в корпуса. Крупнейшим потребителем материалов для полупроводникового производства десятый год подряд остается Тайвань. Из общей суммы 52,14 млрд долл. на него пришлись 11,3 млрд долл., но это на 2,4% меньше, чем в 2018 г. Южная Корея с 8,83 млрд долл. находится на втором месте, а Китай с 8,59 млрд долл. – на третьем. Кстати, китайский рынок – единственный, где был зафиксирован рост. Он составил 1,9%. www.russianelectronics.ru

www.elcomdesign.ru

Разработка PoE-PD-решений для интернета вещей Райли Бек (Riley Beck), компания On Semiconductor

Утверждение в сентябре 2018 г. последней версии стандарта IEEE 802.3bt для питания через Ethernet (Power over Ethernet, PoE) повышает энергопотребление через сети Ethernet до 100 Вт, что расширяет возможности для большего количества приложений и открывает рынок для подключения более энергоемких устройств. Публикуемая статья [1] с рядом дополнений дает общие сведения о технологии PoE и рекомендации по проектированию конечных устройств, а также предлагает оригинальное решение по организации их питания от компании ON Semiconductor.

PoE как решение насущных проблем

Сети и интерфейсы

Подключенные к интернету устройства используют две основные функции – сетевую связь (для передачи и прием данных) и питание. Для успешной работы устройств интернета вещей (IoT) необходимо решить три основные задачи, связанные с энергопотреблением, связью и безопасностью. Хотя

многие беспроводные технологии, например Wi-Fi, применяются у же многие годы, они тоже требуют решения этих трех задач. Беспроводным устройствам с батарейным питанием необходима регулярная зарядка или замена батарей, а связь по Wi-Fi, ко всему прочему, страдает от заполненных до отказа частотных полос. Таким образом, в настоящее время

имеются как минимум две проблемы – связь и питание. Растущие требования к питанию конечных устройств вызывают необходимость в их подключении к электросети, что усложняет монтаж и ограничивает точки установки. Указанную проблему решает Power over Ethernet (PoE) – технология питания через Ethernet-сети. С ее помощью обеспечивается гибкость, надежность, безопасность и питание по существующей кабельной Ethernet-инфраструктуре. С момента появ ления технологии в 2003 г. регламентирующий ее стандарт IEEE стремительно развивался, а принятие его последней версии IEEE 802.3bt делает 10G-BASE-T серьезным конкурентом на рынке: скорость передачи данных по кабелю Cat5/Cat6 на расстояние до 100 м достигает 10 Гбит/с с помощью неэкранированной или экранированной витой пары. Для передачи данных на 100 м требуется кабель категории 6а. Первичные устройства потребляют мощность 60–90 Вт. Повышение уровня передаваемой мощности

Рис. 1. Подача питания в режимах A и B в системе PoE типов 1–2

www.elcomdesign.ru

На момент появления этой технологии питающее оборудование (PSE, или инжекторы) типа 1 обеспечивало мощность до 15,4 Вт в соответствии с версией стандарта IEEE 802.3af, а оборудование типа 2 (IEEE 802.3at) – вдвое больше, но только с условием работы по двум парам кабеля категории Cat5. Мощность питания, предусмотренная версией стандарта типов 3–4 (IEEE 802.3bt), который появился в сентябре 2018 г., достигает 60 и 90 Вт, соответственно. Такой уровень мощности питания конечных устройств даже с учетом потерь в кабелях открывает доступ устройств и оборудования к интернету, включая беспроводные и сотовые базовые станции, видеокамеры PZT и куполь-

реализации PoE, например с подачей питания 12 или 24 В постоянного тока для камер видеонаблюдения и точек доступа. Кроме того, питаемые устройства должны проектироваться с возможностью получать питание в любой конфигурации, в т. ч. при изменении полярности (например, когда используется перекрестный кабель). Питающее устройство подает питание в кабель только в том случае, если подключаемое устройство является устройством питаемого типа. Таким образом, оборудование, не поддерживающее технологию PoE и случайно подк люченное к питающему устройству, не выйдет из строя. Проблема решается установкой на приемной стороне питания обязательного выпрямителя. Его выбор и роль мы обсудим ниже. Кроме того, в схеме на рисунке 2 часто используются два выпрямителя и два DC/DC-преобразователя либо два выпрямителя на один DC/DC-преобра зователь.

Рис. 2. Четырехпарная организация подачи PoE-питания для типов 3–4 Таблица 1. Типы PoE, определяемые стандартом IEEE 802.3 IEEE 802.3af (тип 1)

IEEE 802.3at (тип 2)

IEEE 802.3bt (тип 3)

IEEE 802.3bt (тип 4)

Выходная мощность PSE, Вт

15,4

Мощность на PD-устройстве, Вт

12,95

25,5

71,3

Выходное напряжение инжектора, В

44–57

50–57

52–57

Напряжение на PD-устройстве, В

37–57

42,5–57

41,1–57

350

600

960

Характеристика

Ток в паре (макс.), мА

до IEEE 802.3bt представляет инжекторы и PD-устройства для сетей типов 3–4. Типы PoE, определяемые стандартом IEEE 802.3 на текущий момент, приведены в таблице 1. Для обеспечения более высоких токов новый стандарт IEEE 802.3 преду сматривает одновременное использование двух режимов (A и B) питания удаленных устройств с использованием PSE-оборудования в конфигурации 4PPoE типов 3–4 с четырьмя витыми парами вмес то дву х (см. рис. 1–2). Применяются также нестандартные

П р и р а з р а б о т к е PD - ус т р о й с т в необходимо учитывать несколько функций, к которым относится режим р а б о т ы , о б н ару же н и е п и т а е м о го устройства и его классификация. Циклограмма режима включения представлена на рисунке 3. После определения и классификации питающее устройство подает в кабель напряжение 48 В с фронтом нарастания не быстрее 400 мс. После подачи полного напряжения на питаемое устройство инжектор осуществляет контроль над его работой двумя способами:

Сети и интерфейсы

ные видеокамеры, цифровые вывески, интерактивные дисплеи и информационные киоски. Технология Power over Ethernet – это система проводной связи и энергообеспечения, которая использует существующие сети Ethernet для питания конечных устройств. В такой системе инжектор подает подключенным PD-устройствам питание по восьми проводам, расположенным в виде четырех витых пар (Cat5/Cat5e/Cat6/Cat6a) с разъемами типа RJ45. Инжектор подает конечной точке напряжение величиной до 57 В. Поскольку оно меньше 60 В, его можно считать «безопасным сверхнизким напряжением» в соответствии с директивой SELV (Safety Extra Low Voltage)1. Следовательно, использование такого напряжения устраняет необходимость в квалифицированных электриках для монтажа и прокладки кабеля, что упрощает установку и обслуживание сети. Стандарт ограничивает мощность на один порт величиной 90 Вт. Это максимальная мощность, передаваемая через кабели Ethernet. Первоначально намеченный к выпуску в 2017 г., стандарт IEEE 802.3bt постоянно обновлялся и был официально опубликован только в сентябре 2018 г., что было обусловлено необходимостью обеспечить обратную совместимость с предыдущими версиями. Последняя обновленная спецификация PoE

Особенности проектирования PoE

Рис. 3. Циклограмма подачи и отключения питания по технологии PoE

1 В РФ уровень безопасного напряжения регламентируется ГОСТ МЭК 60906-3-2011 «Система МЭК вилочных и штепсельных розеток бытового и аналогичного назначения. Частичные требования к вилкам и штепсельным розеткам системы постоянного сверхнизкого напряжения (SELV) 6, 12, 24 и 48 В и на номинальный ток 16 А. Технические требования». Этот стандарт идентичен международному IEC 60906-3:1994.

электронные компоненты №04 2020

Сети и интерфейсы

-- если питаемое устройство в течение 400 мс потребляет ток меньше 5 мА, инжектор снимает питание с кабеля; -- питающее ус тройс тво подает в кабель напряжение 1,9–5,0 В с частотой 500 Гц и рассчитывает входное сопротивление; если оно превышает 1980 кОм в течение 400 мс, инжектор снимает питание с кабеля. Кроме того, питающее устройство непрерывно следит за током перегрузки. Если PD-устройство потребляет ток более 400 мА в течение 75 мс, инжектор снимает питание с кабеля. Если инжектор устанавливает, что питаемое устройство отключено от кабеля или произошла перегрузка тока, потребляемого PD-устройством, то за время не менее 500 мс напряжение с кабеля снимается. Как видно из циклограммы, во избежание повреж дения устройств, не поддерживающих технологию PoE, инжектор до момента подачи питания определяет факт подк лючения PD -устройства к противоположно му концу кабеля. На данном этапе инжектор последовательно подает на кабель два напряжения V1 = 2,7 В, V 2 = 10,1 В и определяет параметры входного сопротивления подключаемого устройства. Режим PD обнаруживается с использованием действительной подписи и реализуется с помощью резистора. Д ля питаемого устройства это сопротивление составляет 19–26,5 кОм (типовым считается сопротивление 25 кОм) с параллельно подключенным конденсатором емкостью 0–150 нФ. Только после проверки соответствия параметров входного сопротивления для питаемого устройства инжектор переходит к следующему этапу. В противном случае он повторно пытается определить подключение через промежуток времени не менее 2 мс.

циклом 20%. Чтобы порт оставался рабочим, средний ток не должен превышать 2,31 мА. При напряжении 50 В это требование определяет величину мощности 115 мВт, что легко реализуется в больших сетях. Для устройств с питанием типов 3–4 рабочий цикл уменьшился до 1,875%, в результате чего на устройство приходится не более 10 мВт, что снижает энергопотребление в режиме ожидания на 90%. В подключенных системах освещения с большим количеством устройств применяется сигнатура MPS (Maintain Power Signature) для проверки состояния питаемого устройства. Она также требуется для постоянно включенных устройств в беспроводных транзитных соединениях, точках доступа Wi-Fi и камерах систем безопасности.

На этапе классификации определяютс я максимальные требования к питанию устройства. Еще один резистор, подключенный к контроллеру PoE в PD-устройстве, определяет диапазон мощности – ее классы. В последней версии стандарта добавились еще четыре класса с усовершенствованным процессом взаимной идентификации и автоматической функциональностью – 5 и 6 для типа 3, а для типа 4–7 и 8. Был зарезервирован класс 8+. В обновленной версии снижается энергопотребление в режиме ожидания. В таблице 2 представлены классы с их максимальной средней мощностью для PD-устройств с единственной подписью. Класс не следует путать с типом PoE, поскольку первый из них определяет только величину мощности для подключенного устройства. В IEEE 802.3af/at (типов 1–2) используются PD-устройства с одиночной подписью (включение в режимах A и B). IEEE 802.3bt добавляет PD-устройства с двойной подписью, где для каждого режима или его альтернативного варианта применяютс я отдельные выпрямители входного моста и контроллер PD. Что касается автоматической классификации, то она не является обязательным расширением, но часто бывает полезной с практический точки зрения. В этом режиме инжекторы измеряют энергопотребление подключенного PD-устройства в течение некоторого интервала времени, определяя максимальную мощность, которая может потребоваться этому устройству. Кроме того, такая к лассификация никогда не реализуется при использовании PD-устройств с двойной подписью. Сигнатура питания устанавливается после обнаружения PD-устройства, поддерживающего питание по Ethernet, и определения его класса. Для устройств типов 1–2 минимальная требуемая сигнатура составляет 10 мА с рабочим

Режимы PoE

Подача мощности питания осуществляется в трех режимах: A, B и в режиме питания по четырем парам (4PPoP). В случае с 10BASE-T/100BASE-TX в режиме A питание подается одновременно с парами данных 1–2 и 3–6. Режим B обеспечивает питание по запасным парам 4–5 и 7–8. В приложениях 1000BASE-T (четыре пары) мощность питания подается одновременно по четырем парам. Синфазное напряжение извлекается с помощью центрального ответвления стандартного Ethernet-трансформатора, после чего преобразователь постоянного тока обеспечивает стабильное выходное напряжение для конечной системы. При проек тировании устройств с использованием PoE-технологии нельзя не учитывать соединительный кабель. Максимальная длина кабеля для Ethernet составляет 100 м. Поскольку он оказывает сопротивление постоянному току, часть передаваемой мощности рассеивается в виде тепла. Кабель категории Cat5 представляет собой витую пару, которая в т. ч. использу-

Таблица 2. Разделение уровней мощности по классу и типу Класс мощности

Тип PoE

Классифицируемый ток, мА

Мощность на источнике (PSE), Вт

Мощность на PD-устройстве, Вт

Количество пар

Стандарт IEEE

0–5

15,4

0,44–12,94

802.3af

8–13

4,00

0,44–3,84

802.3af

16–21

7,00

3,84–6,49

802.3af

25–31

15,4

6,49–12,95

802.3af

35–45

12,95–25,50

802.3at

36–44 и 1–4

40 (2×35,6)

802.3bt

36-44 и 9–12

802.3bt

36–44 и 17–20

802.3bt

36–44 и 26–30

71,3

802.3bt

www.elcomdesign.ru

99,9

Рис. 4. Решение PoE с диодными мостами Особенности подключения

ется в Ethernet-сетях для подачи питания в приложениях PoE. Он работает в полосе частот до 100 МГц и применяетс я в сис темах со скорос т ями 10/100/1000BASE-T. Кабель Cat6 является усовершенствованной кабельной системой Cat5, поддерживающей частоту до 500 МГц, что подходит для скоростей 10GBASE-T Ethernet. Сопротивление постоянному току кабеля Cat5 длиной 100 м равно 12,5 Ом, а сопротивление кабелей Cat6–7 Ом на 100 м. Потери при передаче возрастают с увеличением тока в дифференциальных парах. При типовом входном

напряжении 50 В в 25‑Вт PD-устройстве ток составляет 0,5 А. В результате потери при передаче возрастают на 2,5 Вт у Cat5 и 1,75 Вт – у Cat6, которые рассеиваются в виде тепла. Для устройства мощностью 90 Вт эти потери при передаче распределяются между четырьмя парами при токе 930 мА на пару с минимумом напряжения 52 В на один инжек тор. Таким образом, потери составляют 17,30 Вт при использовании Cat5 и 2×6,05 Вт – у кабеля Cat6. Следовательно, кабель Cat5 годится для безопасного применения в любом приложении, а Cat6 лучше, но дороже.

электронные компоненты №04 2020

Сети и интерфейсы

Рис. 5. По сравнению с двойным диодным мостом решение GreenBridge позволяет сэкономить 25% занимаемой площади

Выбор кабеля и его прок ладка должны быть тщательно про думаны, чтобы повысить его эффективность и уменьшить риск повреж дения. Контроллер PD-устройства преобразует входное напряжение с помощью дополни тельного DC/DC-преобразователя, который также стабилизирует это напряжение на стороне PD-устройства. Диодные мосты представляют собой недорогие решения для типовых устройств PoE (см. рис. 4). Их использование дос таточно д ля устройств с низким энергопотреблением, но с увеличением мощности такое решение становится проблематичным. При 25,5 Вт и минимальном напряжении 42,5 В через диодный мост протекает расчетный ток 0,6 А. При прямом напряжении из расчета 0,7 В на диод мощность, рассеиваемая на каждом диоде, составляет 420 мВт. У 90 ‑Вт системы ток равен 3,7 А, а рассеиваемая на каждом диоде мощность – 2,59 Вт. Соответственно, в этом с лучае оптимальным реше нием является схема с синхронным выпрямлением, однако оно требует аппаратных затрат и сказывается на себестоимости. Одним их эффективных решений является GreenBridge

Сети и интерфейсы

Рис. 6. Решение FDMQ8203 семейства GreenBridge на четырех MOSFET

(см. рис. 5) компании ON Semiconductor. Еще раз заметим, что выпрямитель осуществляет не только выпрямление, но и защищает питаемое оборудование от переполюсовки. Синхронный выпрямитель на базе MOSFET по сравнению с диодным мостом уменьшает потери проводимости и повышает эффективность (КПД). 1‑е поколение семейства GreenBridge интегральных сдвоенных P‑канальных и сдвоенных N‑канальных MOSFET (FDMQ8203) с улучшенными тепловыми характеристиками в компактном корпусе для поверхностного монтажа [2] от компании ON Semiconductor (см. рис. 6) позволяют решить рассматриваемую проблему. На потери проводимости влияет величина сопротивления открытого канала R DS(ON) MOSFET. При R DS(ON) = 110 мОм для N‑канального и 190 мОм для P‑канального MOSFET рассеиваемая на них мощность равна 115 мВт в случае 25‑Вт системы, что составляет четверть от потерь мощности диодного моста. При мощности 90 Вт и токе величиной 3,7 А потери на проводимость достигают 354 мВт, что всего лишь на 13% ниже потерь в случае диодного моста, но в системе управления зданием, где используются сотни датчиков с PoE, небольшая разница становится значительной. Решения 2‑го поколения (FDMQ8205А) [3] выпускаются компанией ON Semiconductor под торговой маркой некогда знаменитой компании Fairchild Semiconductor, которая в 2016 г. была поглощена ON Semiconductor. Это решение с четырехтранзисторным выпрямителем отличается более высокой номинальной мощностью. Высокоэффективные мостовые выпрямители, а также соответствующие драйверы затвора выполнены в том же небольшом корпусе MPL размером 4,5×5 мм, что и выпрямители 1‑го поколения, но имеют значительно меньшую величину R DS(ON): 35 мОм у N‑канальных MOSFET и 76 мОм – у P‑канальных. Компания On Semiconductor также выпускает интерфейсные контроллеры PoE-PD, позволяющие любому устройству соответствовать требованиям стандартов 802.3af/at и –3bt. Интерфейсные контроллеры NCP1095 [4] и NCP1096 [5] включают в себя все необходимые функции для работы в системе PoE, к которым относится обнаружение, классификация, автоматические определение класса и ограничение тока во время пуска. Два контроллера поддерживают 90‑Вт

www.elcomdesign.ru

систему через внутренний/внешний проходной транзистор. Эти контроллеры также устанавливают, когда можно реализовать функцию MPS (Maintain Power Signature). Обнаружение дополнительного вспомогательного источника питания позволяет подать питание через PoE или настенный адаптер. Быстро оценить работу обоих контроллеров еще до физического проектирования конечного изделия позволяют оценочные платы NCP1095GEVB [4] и NCP1096GEVB [5]. В их состав входит не только активный мост GreenBridge2, но и разъемы RJ45, а также LAN-трансформатор. Выводы

Утверждение последней версии стандарта IEEE 802.3bt для технологии Power over Ethernet открывает рынок для более энергоемких устройств и способствует разработке более производительных приложений. Увеличение энергопотребления ставит новые задачи, которые эффективно решаются, начиная с PoE-PD-решений от компании ON Semiconductor, активных мостов семейства GreenBridge и заканчивая простыми в реализации контроллерами PoE-PD. Эти решения позволяют уменьшить риски при проектировании новых изделий и сократить время их выхода на рынок, что делает технологию PoE серьезным конкурентом на рынке не только стандартного, но и промышленного интернета вещей. Литература 1. Riley Beck. Designing a PoE-PD for IoT. 02.29.2020//www. powersystemsdesign.com. 2. FDMQ8203 GreenBridge Series of High-Efficiency Bridge Rectifiers. 2011 Semiconductor Components Industries. LLC. August. 2017. Rev 3//www. onsemi.com. 3. FDMQ8205 GreenBridge 2 Series of High-Efficiency Bridge Rectifiers. September 2016. Fairchild Semiconductor Corporation. Rev. 1.2//www. onsemi.com. 4. NCP1095: Power Over Ethernet (PoE) – Powered Device Interface Controller. IEEE 802.3bt//www.onsemi.com. 5. NCP1096: Power Over Ethernet (PoE) – Powered Device Interface Controller with integrated hot swap FET, IEEE 802.3bt//www.onsemi. com.

Скорая ЭМС-помощь Наталья Солошенко, инженер по применению компонентов, Würth Elektronik

Элек тромагнитная совмес тимос ть

Компания Würth Elektronik является не только производителем высококачественных пассивных компонентов, но и лидером в области бесплатных сервисов для клиентов. Наличие в команде квалифицированных инженеров и глобального опыта в решении проблем ЭМС делает эти сервисы уникальными и очень востребованными среди разработчиков электроники. В сентябре 2019 г. был запущен новый сервис «Скорая ЭМС-помощь», который уже завоевал популярность среди клиентов компании и на текущий момент пользуется высоким спросом. В статье рассматривается основное назначение этого сервиса и некоторые результаты его работы.

Вопросы сертификации устройств на современном рынке электроники становятся все острее с каждым годом: ужесточаются требования к сертификационным центрам, добавляются новые протоколы испытаний, растут исследуемые диапазоны частот и т. д. Разработчику, который ни разу не сталкивался с вопросами испытаний на ЭМС, сложно понять, сможет ли его устройство успешно пройти сертификацию. А если не удалось ее пройти, что делать дальше? С чего начать доработку? Какие компоненты и решения применить? Какое оборудование необходимо для оценки уровня помех устройства? Новый бесплатный сервис от компании Würth Elektronik «Скорая ЭМС-помощь» поможет решить эти проблемы.

Один из важнейших вопросов при необходимой сертификации устройства – на каком этапе разработки следует задуматься об электромагнитной совместимости? Безусловно, чем раньше, тем лучше. Когда разработчик сталкивается с вопросами ЭМС непосредственно в лаборатории на испытаниях, стоимость доработки устройства и затраченное время могут оказаться достаточно большими. Чтобы избежать этого, желательно проводить предсертификационные испытания либо измерения непосредственно на рабочем месте инженера. В первом случае преимущество в том, что изделие испытывается на тех устройствах и по тем протоколам, которые будут применяться при сертификации. Очевидными недостатками является высокая стоимость

Рис. 1. Пример 1: измерения кондуктивной помехи до участия Würth Elektronik

www.elcomdesign.ru

таких измерений (до 16 тыс. руб. за час в зависимости от лаборатории), а также время, затраченное на перемещение испытуемого устройства, не считая того, что лаборатория может находиться в другом городе. Эти недостатки отсутствуют во втором случае, когда испытания проводятся непосредственно на рабочем месте инженера. Но для этого необходимо наличие довольно дорогостоящего измерительного оборудования, которое не все организации могут себе позволить. Даже если удалось провести испытания, и были получены графики шумов устройств, как определить их тип? С использованием каких компонентов или решений с ними бороться? С каких функциональных узлов начать?

Рис. 2. Пример 1: измерения кондуктивной помехи после применения рекомендаций специалиста Würth Elektronik

сов для клиентов, к которым относится предоставление бесплатных образцов в течение трех–четырех дней, склад всей производимой продукции, инженерная поддержка, техническая литература

и семинары делают работу с этой компанией очень удобной и результативной. А с сентября 2019 г. для клиентов доступен новый бесплатный сервис «Скорая ЭМС-помощь».

Элек тромагнитная совмес тимос ть

Компания Würth Elektronik хорошо известна на рынке как производитель пассивных и фильтрующих компонентов для электронных устройств. Кроме того, наличие большого количества серви-

Рис. 3. Пример 2: измерения излучаемой помехи до участия Würth Elektronik

электронные компоненты №04 2020

Элек тромагнитная совмес тимос ть

Рис. 4. Пример 2: измерения излучаемой помехи после применения рекомендаций специалиста Würth Elektronik

Этот сервис позволяет осуществлять измерения кондуктивной помехи максимально приближенно к лабораторным условиям, а также проводить оценочные измерения излучаемой помехи, локализовать место генерации шума и найти решение либо соответствующие компоненты для каждого конкретного случая. Все, что для этого нужно – свя-

заться с представителем компании, объяснить свою проблему. Специалисты с необходимым оборудованием приедут к вам, проведут необходимые измерения и предложат ряд решений либо компонентов. В состав переносного оборудования для измерений входят два эквивалента сети (по постоянному и переменному напряжению

Рис. 5. Пример 3: оценочные измерения до участия Würth Elektronik

www.elcomdesign.ru

до 10 А), осциллограф с БПФ, антенны ближнего поля. Кроме того, инженеры компании Würth Elektronik располагают многолетним опытом в решении таких вопросов. С момента запуска этого сервиса в сентябре 2019 г. уже появился ряд успешно реализованных проектов, малая часть которых иллюстрируется на рисунках 1–6.

Рис. 6. Пример 3: оценочные измерения после применения рекомендаций специалиста Würth Elektronik

Кроме того, наличие большого арсенала помехоподавляющих компонентов и богатый опыт подобных исследований позволят сразу же подобрать решение для устранения нежелательных излучений. Сервис реализуется при поддержке компании Rohde & Schwartz, которая в случае необходимости исследования более широкого диапазона частот предоставляет для испытаний оборудование более высокого класса. Компания Rohde & Schwarz является лидером в области производства контрольно-измерительного оборудования и решений для ВЧ-электроники. В качестве контрольно-измерительного устройства в нашем новом сервисе мы используем осциллограф модели

RTB2004. Это позволяет нашим заказчикам рассчитывать на максимальную скорость, удобство и достоверность при проведении всех видов измерений и тестов. В заключение хотелось бы еще раз обратить внимание на то, что сервис – абсолютно бесплатный. Получить консультацию или запи саться на измерения можно по адре сам eiSos-russia@we-online.com, Natalya. Soloshenko@we-online.com либо у ответ ственного менеджера в вашем регионе. Инженеры компании Würth Elektronik всегда рады принять активное участие в борьбе с помехами в ваших устрой ствах!

СОБЫТИЯ РЫНКА

Элек тромагнитная совмес тимос ть

Данный сервис позволит сэкономить время на поиск шумящих узлов, компонентов и решений по их устранению, а также деньги на оплату дорогостоящих часов измерений в лабораториях ЭМС. Переносное оборудование в арсенале компании Würth Elektronik позволяет провести следующие испытания: 1. Из м ер ение кон д у к тивной (150 кГц…30 МГц) помехи устройства при подключении к сети 50 Гц. 2. Измерение кондуктивной (150 кГц…30 МГц) помехи по постоянному напряжению (до 30 В). 3. Измерение интенсивности излучения магнитных полей (до 300 МГц) в разных узлах устройства либо печатной платы.

| 1,85 млрд руб. на создание оборудования для телевидения 4K |

Создание в России отечественного оборудования телерадиовещания, в т.ч. обеспечивающего поддержку технологий 4K и IPTV, потребует от бюджета затрат в размере 1,85 млрд руб. Федеральный проект «Информационная безопасность» национальной программы «Цифровая экономика» предполагает проведение мероприятий по развитию отечественной инфраструктуры телерадиовещания и обеспечения безопасности его функционирования. Первым делом должно быть проведено исследование рынка отечественного оборудования телерадиовещания и определены потребности российских компаний в сфере телерадиовещания в указанном оборудовании. Речь идет в т.ч. об определении потребности в оборудовании с поддержкой технологий 4K (разрешение картинки с поддержкой примерно 8 млн пикс.) и IPTV. Кроме того, должен быть сформирован перечень отечественных производителей оборудования в сфере телерадиовещания и рассчитан потенциал рынка отечественного оборудования в сфере телерадиовещания на перспективу до 2024 г. Исполнителем указанных мероприятий станет концерн «Автоматика», входящий в состав госкорпорации «Ростех». Кураторами выступят Минкомсвязь и Минпромторг. Общие затраты федерального бюджета на указанные мероприятия составят 1,85 млрд руб. Из них 1,15 млрд руб. будет затрачено на оказание мер по стимулированию развития и модернизации указанного оборудования, 700 млн руб. – на разработку и модернизацию упомянутых программно-аппаратных решений. www.russianelectronics.ru

электронные компоненты №04 2020

Выбор параметров ЭМП-фильтра Игорь Колобов, инженер-разработчик

В статье рассматриваются способы построения фильтра электромагнитных помех, и даются рекомендации по выбору компонентов фильтра. Приводятся расчетные соотношения и графические иллюстрации.

никами этих пульсаций. Ток создает также падение напряжения на эквивалентном последовательном сопротивлении (ESR) входного сглаживающего конденсатора. Помехи, указанные в п. 2, возникают из-за паразитных емкостей и индуктивностей в силовых цепях и в цепях управления затвором силового ключа. И, наконец, указанные в п. 3 помехи являются следствием переходных процессов в полупроводниковых приборах, например результатом восстановления обратного сопротивления диода. Для подавления помех 1‑го типа используются ЭМПфильтры; их применение должно обеспечить выполнение требований ГОСТ 30804.3.2. «Эмиссия гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым током

Элек тромагнитная совмес тимос ть

Требования по электромагнитной совместимости (ЭМС) достаточно строги. AC/DC- и DC/DC-преобразователи, без которых в настоящее время не обходится практически ни одно изделие, порождают высокий уровень электромагнитных помех (ЭМП). В первом приближении их можно разделить на три группы. 1. Низкочастотные кондуктивные помехи в полосе частот 0,15–50 МГц. 2. Широкополосные кондуктивные и радиопомехи в полосе 50–200 МГц. 3. Высокочастотные радиопомехи частотой свыше 200 МГц. Помехи первого вида порождаются пульсациями входного тока с рабочей частотой преобразователя и высшими гармо-

Рис. 1. Осциллограммы квазипикового и среднего значения помех DC/DC-преобразователя

Рис. 2. Схема ЭМП-фильтра

www.elcomdesign.ru

а)

б)

Рис. 3. а) эквивалентная схема дросселя; б) его частотная характеристика

Кру тизна спада АЧХ LC- фильтра 2‑го порядка низкочастотного каскада составляет 40 дБ/дек. Значение его частоты среза fC выбирается из условия ослабления помех в требуемом диапазоне частот из выражения (1): . (1)

Ослабление А выражается в дБмкВ. Из формулы (1) легко получается соотношение (2): . (2) Таким образом, выбирая частоту среза, можно задать величину ослабления в требуемой полосе частот. К сожалению, простые и понятные расчетные соотношения (1) и (2) на практике служат лишь примерным ориентиром при расчете фильтра. Например, паразитная емкость и сопротивление дросселя

могут внести существенные коррективы в расчет фильтра. На рисунке 3а показана эквивалентная схема дросселя с учетом его паразитных параметров, а на рисунке 3б – зависимость импеданса реального дросселя от частоты. Как видно из рисунка, дроссель с учетом паразитных параметров представляет собой колебательный контур. Его резонансная частота называется собственной резонансной частотой дросселя (SRF). На частотной характеристике выделены три области. В первой из них импеданс дросселя имеет индуктивный характер; далее, в районе точки SRF кривая импеданса носит резистивный характер и, наконец, при частоте выше SRF импеданс приобретает емкостной характер. Следовательно, в этом диапазоне частот ЭМП-фильтр перестает выполнять свою роль. Производители дросселей обязательно указывают величину SRF, а в ряде случаев и добротность. Конденсатор, как и дроссель, имеет паразитные параметры – эквивалентную последовательную индуктивность

Элек тромагнитная совмес тимос ть

не более 16 А (в одной фазе)» и аналогичных норм CISPR‑25. Конструкция ЭМП-фильтров зависит от особенностей изделия. Их роль может выполнять и один-единственный помехоподавляющий конденсатор, и сложное устройство из нескольких конденсаторов и дросселей в одном корпусе. Памятуя, что нельзя объять необъятное, в настоящей статье мы рассмотрим только ЭМПфильтры, оставив другие аспекты ЭМС за рамками этой статьи. Рис унок 1 иллюс трирует сказанное выше. На нем показаны осциллограммы квазипикового и среднего значения помех, порождаемых DC/DC-преобразователем. Осциллограммы снимались в отсутствие ЭМПфильтра; на них горизонтальными полосами красного цвета обозначены предельные нормы помех. Как видно из рисунка, эти нормы существенно превышены – примерно на 20 дБ, т. е. в 10 раз. При таком превышении единственным средством, способным уменьшить величину помех до приемлемого значения, является ЭМП-фильтр. На рисунке 2 показана схема ЭМПфильтра, разделенная на каскады. Фильтр подключен к устройству стабилизации полного сопротивления линии (LISN). Устройство LISN позволяет исключить влияние первичной сети и оценить только влияние ЭМПфильтра. Высокочастотные пульсации входного тока, порож даемые DC/DC-преобразователем, имеют примерно трапецеидальную форму. Это значит, что они содержат и четные, и нечетные высшие гармоники. Токи пульсации трапецеидальной формы протекают через входной конденсатор CIN и дополнительно создают падение напряжения на сопротивлении ESR этого конденсатора. Фильтр, расположенный на входе конденсатора, ослабит эти пульсации и позволит уложиться в требования стандартов.

Рис. 4. Частотные характеристики реальных конденсаторов

электронные компоненты №04 2020

Элек тромагнитная совмес тимос ть

Рис. 5. Влияние демпфирующей цепочки на характеристики ЭМП-фильтра

(ESL) и эквивалентное последовательное сопротивление. Эквивалентная схема конденсатора также представляет собой колебательный конт ур. Зависимости импеданса дросселей от частоты для некоторых конденсаторов приведены на рисунке 4. Как видно, импеданс реального конденсатора после точки SRF имеет отчетливо выраженный индуктивный характер. Иными словами, после того как частота входного сигнала превысит значение частоты SRF дросселя и конденсатора, фильтр нижних частот превращается в фильтр верхних частот. Следовательно, при выборе компонентов LFCFфильтра необходимо учитывать это обстоятельство. Д л я в ы р а в н и в а н и я а м п л и т уд но-частотной характеристики фильтра используе тс я демпфирующ а я RDCD-цепочка, включенная между линиями сети (см. рис. 2). Эта цепь позволяет избежать или уменьшить колебательный процесс, возникающий в LFCF-фильтре, что может привести к нестабильной работе преобразователя. Величина

Рис. 6. Частотные характеристики синфазного дросселя

компонентов демпфирующей цепочки определяется из соотношения (3):

. (3) Из уравнения (4) получаем величину демпфирующей емкости:

Рис. 7. Характеристики ЭМП-фильтра: а) без ферритовой бусины; б) с ферритовой бусиной

www.elcomdesign.ru

CD = 4CIN. (4) Важность демпфирующей цепочки иллюстрируется на рисунке 5, где показаны осциллограммы помех при работе ЭМП-фильтра без демпфирующей цепочки (см. рис. 5а) и с демпфирующей цепочкой (см. рис. 5б), компоненты кото-

Рис. 8. Частотные характеристики ферритовой бусины при разных токах смещения

Литература

1. The Engineer’s Guide to EMI in DC-DC Converters (Part 10): Input Filter Impact on Stability. 2. The Engineer’s Guide to EMI in DC-DC Converters (Part 11): Input Filter Impact on Dynamic Performance.

Керамические конденсаторы до 100мкф Синфазныe дроссели на ток 10 А

электронные компоненты №04 2020

Элек тромагнитная совмес тимос ть

К сожалению, производители бусин, как правило, нормируют частотные характеристики при нулевом токе смещения, т. е. при отсутствии постоянной составляющей. На практике токи смещения почти всегда наблюдаются вплоть до сотен мА. На рисунке 8 показано, как в общем случае изменяются частотные характеристики ферритовой бусины при разных токах смещения. При выборе ферритовой бусины или нескольких бусин следует ориентироваться на выходной ток преобразователя. При этом токе смещения в требуемом диапазоне частот импеданс бусины должен быть наибольшим. Мы проанализировали, каким образом компоненты фильтра влияют на его характеристики. Однако и сам ЭМП-фильтр влияет на устойчивость преобразователя и его динамические характеристики. Подробнее ознакомиться с влиянием ЭМПфильтра на динамические характеристики преобразователя можно в [2].

рой определены из соотношений (3–4). Как видно из рисунка, демпфирующая цепочка позволяет уменьшить помехи в зоне FM-частот почти на 15 дБмкВ. Демпфирующая цепочка также улучшает устойчивость системы «фильтр–преобразователь»; подробнее с этим аспектом проблемы можно ознакомиться в [1]. Помимо дифференциального шума, для подавления которого используется рассмотренный выше LFCF-фильтр, существует синфазный шум. Этот шум, в основном, обусловлен токами, протекающими через паразитные межобмоточные емкости трансформатора импульсного источника питания, узла коммутации и паразитной емкостью между корпусом изделия и землей. Проблема усугубляется ростом рабочей частоты и уменьшением габаритов изделия. Как известно, величина электромагнитного поля ослабляется пропорционально квадрату расстояния от источника. Для фильтрации синфазного шума используется синфазный дроссель (см. рис. 2) во входном каскаде ЭМП-фильтра. Правильно выбранный дроссель позволяет существенно уменьшить синфазный шум в широкой полосе вплоть до нескольких сотен МГц. При выборе синфазного дросселя необходимо оценить зависимость его импеданса от частоты. Пример такой зависимости для широкополосного дросселя приведен на рисунке 6. Необходимо выбрать максимальный импеданс в требуемом диапазоне частот. Наличие паразитных составляющих в элементах ЭМПфильтра приводит к тому, что в полосе частот выше собственной резонансной частоты дросселя, обычно 85–100 МГц, ослабление шумов заметно ниже, чем на меньших частотах, и помехи могут превысить пороговые уровни, задаваемые стандартами ЭМС. Чтобы ослабить помехи в этом диапазоне частот, в ЭМП-фильтры вводится высокочастотный каскад, роль которого выполняет ферритовая бусина (см. рис. 2). На рисунке 7 показано ее влияние на работу ЭМП-фильтра. Хотя преобразователь работает в режиме расширенного спектра, соответствие требованиям стандартов ЭМС без ферритовой бусины не достигается (см. рис. 7а–б). Ее индуктивность невелика, но паразитные составляющие еще меньше, поэтому бусина отлично работает в диапазоне высоких частот вплоть до сотен МГц. Заметим, что ферритовая бусина подавляет дифференциальные помехи.

ALEXANDER ELECTRIC SRO В Чешской Республике AEPS-group разрабатывает и производит на европейских фабриках лучшие в Европе ультрапланарные AC/DC и DC/DC модули электропитания с мощностью 5...5000 Ватт для широкотемпературных и экстремальных условий эксплуатации При заинтересованности команда AEPS-group поможет Вам открыть собственное производство выбранных модулей электропитания на основе технологической лицензии на 3 года Официальное представительство в РФ с правом авторизации дистрибьюторов фирма ООО «ТЕ» , г. Воронеж

Контакты: russia@teslaelectric.eu, +7 473 257 40 41 aeps@aeps-group.cz, +420 281 001 341 Команда AEPS-group - говорим по-русски !

«Всегда выбирайте самый трудный путь - там вы не встретите конкурентов» Шарль де Голль WWW.AEPS-GROUP.COM РЕКЛАМА

Можно ли конкурировать с TRACO POWER? Нужно! Александр Гончаров, CEO, Alexander Electric SRO

И с т о ч н и к и и м о д у л и п и та н и я

Едва ли Александр Гончаров нуждается в представлении. Он отлично известен всем, кто хотя бы немного знаком с российским рынком электроники. «Александр Гончаров» – это бренд! Его имя фигурирует в названиях компаний, с которыми его пути давно разошлись. В этой статье мы представляем читателям новые разработки компании ALEXANDER ELECTRIC SRO, которые могут конкурировать с аналогами мировых лидеров.

Кони, запряженные в колесницу, бегут быстрее, чем поодиночке, не потому, что общими усилиями они легче рассекают воздух, а потому, что их разжигает соревнование и соперничество друг с другом. Местрий Плутарх Несмотря на постоянно идущее импортозамещение, в российской промышленности все больше используются DC/DC-модули электропитания иностранного производства, в т. ч. в сферах ответственного применения – государственном телекоме, железнодорожном транспорте и т. д. Отечественных фирм, специализирующихся в области модулей электропитания, достаточно много – одних «Александеров…», фактически «потомков» автора этой статьи, было и есть, кажется, более пяти. Однако объемы продаж DC/DC-модулей иностранного производства с каждым годом растут. Причины, в общем-то, две. Пер вая: для модулей электропитания нет достойной отечественной ЭКБ, быстро меняющейся в соответствии с мировым прогрессом и отвечающей растущим требованиям рынка РФ. Вторая причина метафизическая – пожилые разработчики боятся конкурировать с зарубежными молодыми специалистами. Именно они, седые и набившие немало шишек, держат оборону в ответственных сферах применения, стараясь хотя бы в них сохранить профессиональное достоинство.

www.elcomdesign.ru

Мне, одному из тех, седых, попалась на глаза статистика продаж модулей электропитания за 2018 г. (см. рис. 1). Среди десятка зарубежных марок особенно выделяется одна фирма – компания TRACO Electronic, которая во всех категориях на российском рынке либо первая, либо вторая. Если учитывать продажи только одного уважаемого российского дистрибьютора, для оценки их объема в 2020 г. можно смело умножить имеющиеся данные на три или четыре и увидеть, что уровень продаж изделий TRACO Electronic составляет около 80 млн долл. А где же наши российские компании-производители?

Думаю, что они (не упоминаю производителей, чтобы не обидеть) в настоящее время пока только дотянулись до уровня 40–50 млн долл. (без учета продаж на рынке специзделий, о котором автору ничего не известно). Все эти компании уступают одной и не самой большой TRACO Electronic. Может быть, на этой фирме собрались одни таланты, которым не один десяток лет удается творить технологические, схемотехнические, производственные и маркетинговые чудеса? В конце концов, «заимствовать хорошее – не грешно», как призывал разработчиков мой учитель Ю. И. Конев, один

Рис. 1. Статистика продаж модулей электропитания за 2018 г. (данные автора)

Рис. 2. Модули питания TRACO POWER мощностью 12, 30 и 60 Вт

устройств и ШИМ-контроллеров, а также за счет изоляционных барьеров для синхронных выпрямителей между первичной и вторичной сторонами на основе микросхем Silicon Labs. Было так же интересно, почему в одних случаях применяется планарный трансформатор с печатными обмотками, а в других разработчики оставили на ферритовом сердечнике низкого профиля проволочную намотку. Постепенно пришло понимание: схемотехнические решения и выбор ЭКБ проводился на основе весьма непростой оптимизации и моделирования по электрическим, конструктивно-технологическим и маркетинговым критериям. Это еще один большой плюс разработчикам модулей TRACO POWER и, конечно, уважение. Нас приятно удивило отсутствие дешевой китайской ЭКБ – используются стандартные хорошо отработанные производителями компоненты высокого уровня, которые, конечно, не дешевые. Действительно, без чуда не обошлось – как же разработчики и производство укладываются в достаточно приемлемые цены? Вывод: над этой продукцией поработала талантливая команда TRACO Electronic, уже многие годы создающая новые поколения высокоэффективных модулей электропитания.

Нашей команде AEPS- GROUP (Alexander Elec tric Power Supplies Group) не захотелось быть в положении аутсайдеров, и мы рискнули. Наше новое поколение серийно освоенных DC/DC-модулей JETDi20 (DIP24), JETDi30 (1×1 дюйм), JETDi60 (2×1 дюйм) и JETDi120 (1/4 brick) в медных тонкостенных корпусах без крепежных отверстий показано на рисунке 3. Модули создавались благодаря незримой помощи разработчиков TRACO Electronic (жаль, они этого не знают!). Конечно, наши схемотехнические и конс трук тивно -технологические решения имеют свои отличия, однако и цели мы поставили несколько выше – достичь хороших характеристик при более жестких условиях эксплуатации. Эти модули электропитания являются прямыми конкурентами модулям TRACO POWER и могут применяться не только в обычном оборудовании промышленного назначения, но и в аппаратуре для ответственных применений. Последняя модель на 120 Вт JETDi120 (1/4 brick) не имеет аналога у TRACO. Разработка этого модуля оказалась действительно трудным делом, однако полученные характеристики стоили затраченных ресурсов. Положительные результаты, достигну тые в серии JETDi, воодушевили команду AEPS-GROUP. Для особо тяже-

И с т о ч н и к и и м о д у л и п и та н и я

из основоположников отечественной энергетической электроники. Вот почему наш чешско-русский коллектив разработчиков и технологов выбрал три очень интересных модуля электропитания, на основе которых TRACO Electronic выпускает продукцию на 12, 30 и 60 Вт (см. рис. 2). Сразу бросается в глаза тщательно проработанный оригинальный красно-черный дизайн этикеток и кор пусов: маркетологам TRACO – плюс! По техническим характеристикам нам особенно интересна последняя разработка TRACO – 60‑Вт модуль формата 2×1 дюйм (на рисунке показана схожая модель на 40 Вт). Кроме того, хотелось бы подобрать очень востребованную на рынке РФ модель на 80–120 Вт, однако мы не нашли таковой в номенклатуре TRACO с габаритами не более 1/4 brick. Измерив параметры этих модулей, мы вскрыли их, чтобы определить использующуюся схемотехнику и ЭКБ. С одной стороны, видны, казалось бы, простейшие схемотехнические решения обратноходовых преобразователей (ОХП), хотя в отечественной литературе начала XXI в. всегда утверждалось, что при малых выходных напряжениях уже при мощности 20–30 Вт потери, в т. ч. вызванные индуктивностью рассеивания в ОПХ, приводят к существенному снижению КПД. Однако результаты измерения параметров модулей TRACO показали, что при выходном напряжении 5 В на мощности 60 Вт КПД превысил 91%! И достигнуто это не только благодаря использованию синхронного выпрямителя, но и с помощью уникальных конструктивно-технологических решений для трансформаторов, пусковых

31 Рис. 3. DC/DC-модули JETDi20 (DIP24), JETDi30 (1×1 дюйм), JETDi60 (2×1 дюйм) и JETDi120 (1/4 brick) компании Alexander Electric SRO

Рис. 4. Модули JETDiR20, JETDiR30, JETDiR60, JETDiR120 компании Alexander Electric SRO

электронные компоненты №04 2020

И с т о ч н и к и и м о д у л и п и та н и я

лых условий эксплуатации схемные решения модулей элек тропитания серии JETDi использовались при тех же габаритных размерах в усиленных корпусах с крепежными отверстиями в обводах корпусов. Эти модули получили названия JETDiR20, JETDiR30, JETDiR60, JETDiR120 (см. рис. 4). В чем же сходство и отличия новых модулей электропитания серий JETDi и JETDiR? Отличия в свойствах конструкции корпуса при совпадении размеров. JETDi имеют тонкостенные медные штампованные корпуса без крепежных отверстий, а модули JETDiR – бесфланцевый дизайн в корпусах стандарта Vicor Brick; в обводах корпусов сделаны крепежные отверстия. Таким образом, у модулей JETDi и JETDiR – разные сферы применения. JETDi фактически крепятся только за выводы, впаянные в печатную плату, что не позволяет их использовать в оборудовании с большими вибрациями и ударами. JETDiR, выполненные во фрезерованных усиленных алюминиевых корпусах с внутренними ребрами жесткости, специально предназначены для аппаратуры любого класса, в т. ч. той, которая испытывает большие вибрации и удары. Кроме того, имеются большие отличия по температурной устойчивости двух этих серий. Дело в том, что для JETDi, как рекомендует TRACO Electronic, в качестве радиатора можно использовать специальную ребристую или игольчатую конструкцию, которая крепится к спинке модуля с помощью клипс. Такое решение имеет весьма низкую эффективность в непродуваемых конструктивных объемах. Кроме того, в еще большей мере снижается механическая устойчивость. Модули JETDiR свободно крепятся к металлическим поверхностям аппаратуры и потому весьма термоустойчивы. Обе серии рассчитаны на электрические сети постоянного тока, типовые для систем распределенного электропитания с использованием аккумуляторной поддержки: 12 (10,2–15 В), 12 (10,2–30 В), 24 (20–30 В), 24 (20–60 В), 27 (20–40 В), 27 (15–50 В) и 48 (36–75 В). Первые числа в названиях модулей обозначают максимальную выходную мощность модуля в Вт; для обеспечения долговременной надежности коэффициент нагрузки этих изделий выбирается в диапазоне 0,7–0,8. Это значит, что модули данной серии с обозначениями 20, 30, 60 и 120 Вт оптимизированы на среднюю мощность 15, 20, 50 и 100 Вт, соответственно. Преимущества элек трических схем: все одноканальные модули JETDi и JETDiR содержат синхронные выпрями-

www.elcomdesign.ru

Рис. 5. Сверхтонкий планарный модуль электропитания JETNA5000 на 5000 Вт

тели до выходного напряжения 27 В, что значительно увеличивает их КПД. Двухканальный выход с гальванически развязанными каналами дает уникальную возможность схемной реализации во всех четырех возможных вариантах: два независимых канала, параллельно включенные каналы, последовательно включенные каналы для обеспечения высоковольтного выхода и выход со средней точкой. Конструктивные преимущества: модули серий JETDi и JETDiR имеют весьма небольшие размеры, что в сочетании с высоким КПД обеспечивает беспрецедентную удельную мощность в диапазоне 49–106 Вт/дюйм3 . Учитывая, что все компоненты конструктивно соединены с корпусом и залиты жестким теплопроводящим компаундом, у этих модулей – хорошая стойкость и прочность к механическим воздействиям. Имеются исполнения (LP) с меньшим на 10–20% профилем. Такое планарное решение улучшает компонуемость модулей в аппаратуре. Для одновременного использования разных модулей, установленных на один радиатор, возможна поставка модулей этой серии с одинаковой высотой профиля, например 11 или 12 мм и т. д. Модули этих серий в большинстве случаев могут работать без дополнительного радиатора при повышенном КПД до 90%. По запросу обеспечивается предельная рабочая температура на корпусе до –60…130°C. На нашем сайте [1] области применения модулей разделены на 11 групп. Серию JETDi рекомендуется использовать в областях 4, 5, 7, 8, 9 и 11 в условиях отсутствия значительных механических воздействий – ударов и вибраций. К этим применениям относятся дроны, летающие шары и планирующие аппараты, метеозонды, все виды наземного транспорта, в т. ч. железнодорожные локомотивы и вагоны, автомобили. Оптимальным применением модулей JETDi являются телекоммуникации, суперкомпьютеры, радары и экраны, эксплуатирующиеся в окружающих условиях.

Серия JETDiR, у которой очень хорошая стойкость и прочность к механическим воздействиям, допускает значительно более широкое применение. Эти модули оптимальны для использования во всех областях 1–11 [1] в негерметизированных и незащищенных отсеках летающих объектов на высотах до 15 км: самолетах, беспилотных и планирующих аппаратах, ракетах, вертолетах, летающих шарах, метеозондах, а также во всех видах наземного транспорта – железнодорожных локомотивах и вагонах, автомобилях, гусеничных передвижных средствах. Модули JETDiR оптимальны для применения в телекоммуникационном оборудовании, в технике, используемой при добыче полезных ископаемых, в суперкомпьютерах, радарах и экранах, эксплуатирующихся в условиях окружающей среды. Наконец, модули пригодны для работы в очень широком диапазоне температуры окружающей среды – в Арктике и Антарктиде, в горах на всех высотах, пустынях и т. д. Высокий КПД до 93% обеспечивает предельный (по заказу) диапазон рабочей температ уры на корпусе –60…130°C. Общий вывод: рекомендуем отечественным разработчикам не бояться конкурировать с мировыми производителями, а там, глядишь, и российская ЭКБ начнет подтягиваться в ряды смельчаков! В следующем номере журнала мы рас скажем читателям о самой новой раз работке команды AEPS-GROUP в области AC/DC-модулей электропитания, кото рую, увы, нам пришлось провести само стоятельно, не найдя конкурентов. Чтобы заинтриговать, привожу фотографию (см. рис. 5) нового сверх тонкого планарного модуля электропи тания JETNA5000 на 5000 Вт размером 299×169×38 мм, т. е. с удельной мощно стью 42 Вт/дюйм3 в температурном диапазоне на корпусе до –60 …90°C. Литература 1. Материалы сайта www.aeps-group. com.

Зарядные устройства мощностью до 150 кВт для быстрого заряда электромобилей Омар Хармон (Omar Harmon), Франческо ди Доменико (Francesco Di Domenico), Шриватса Рагхунтатх (Srivatsa Raghunath), Infineon Technologies

Зарядная инфраструктура для электромобилей с батарейным питанием (BEV, или ЭБП), совершающих поездки в т. ч. на дальние расстояния, во многом должна быть схожей с традиционной, которая применяется для автотранспорта с двигателями внутреннего сгорания.

И с т о ч н и к и и м о д у л и п и та н и я

Введение

Нельзя не заметить, что городские улицы и автомобильные паркинги претерпевают медленную трансформацию, которая свидетельствует о наступлении эпохи электромобилей. По мере широкого распространения электромобилей с батарейным питанием (BEV, или ЭБП) возрастает спрос на инфраструктуру, использующуюся для их зарядки. И хотя большинству таких электромобилей еще только предстоит конкурировать с традиционным автотранспортом с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), задача обеспечить перемещение на дальние расстояния будет решена, если ЭБП станут заряжаться за время, сравнимое со временем обслуживания на АЗС. В бытовых условиях большинство ЭБП заряжаются либо от источников питания переменного тока, либо с помощью настенного зарядного устройства. Рассчитанные на номинальную мощность до 22 кВт, такие решения позволяют зарядить аккумуляторы автомобиля примерно за 120 минут, чтобы он проехал следующие 200 км. Этого заряда вполне достаточно для коротких поездок. Однако чтобы зарядить батарею примерно за 15 минут, потребуется зарядное устройство постоянного тока с номинальной мощностью 150 кВт. Услуги по зарядке с такой мощностью могут предоставляться на специализирован-

ных станциях с необходимой электротехнической инфраструктурой, причем идеальными претендентами на эту роль являются автозаправки, стоянки такси и бензоколонки. Модульный принцип

В отношении зарядных устройств уже действуют региональные стандарты таких организаций как CharIN в Европе, CHAdeMO в Японии и GB/T в Китае. Эти стандарты определяют все компоненты и характеристики, начиная с разъемов, кабелей и заканчивая значениями напряжений и токов. Дополнительные стандарты предусматривают общие вопросы электробезопасности (IEC 60950), изоляции цепей с помощью опторазвязок (UL1577), а также применение электромагнитных и емкостных (VDE V 0844–11) технологий гальванических развязок. Таким образом, у разработчиков имеется возможность выбрать наилучший вариант реализации зарядного устройства постоянного тока. На выбор конструкции устройства оказывают влияние многие факторы, в т. ч. габариты, внешний вид и цена. Однако, несмотря на эти требования, зарядные ус тройс тва с номинальной мощностью 50–150 кВт строятся по модульному принципу. Они связываются по шине данных с центральной управляющей системой, которая осуществляет биллинг. Кроме того, она

Рис. 1. Стандартная топология зарядного субмодуля с номинальной мощностью 15–40 кВт

www.elcomdesign.ru

выполняет аутентификацию внешних сетей данных и подтверждает подлинность замещающих модулей зарядного устройства. На рисунке 1 представлена стандартная топология зарядного субмодуля с номинальной мощностью 15–40 кВт. Современные 50‑кВт зарядные устройства состоят из трех отдельных аппаратных субмодулей мощностью примерно по 16,5 кВт. В свою очередь, субмодули реализуются комбинированием трех блоков мощностью 5,5 кВт каждый. Такой модульный принцип построения обеспечивает экономичное масштабирование за счет повторного использования имеющихся субмодулей и проектирования блоков в соответствии с требованиями новых клиентов. В случае отказов модульный принцип упрощает техническое обслуживание и ремонт. С учетом тенденции к сокращению времени зарядки подаваемая мощность возрастает, что приводит к повышению мощности каждого субмодуля для поддержания баланса между производительностью, мощностью и простотой эксплуатации. Субмодули построены на основе эффективных многоуровневых и многофазных топологий, благодаря чему выделяемое тепло распределяется по имеющемуся объему, а также достигается масштабируемость. Модульный принцип также позволяет производите-

Рис. 2. Предлагаемая схема 30-кВт субмодуля зарядного устройства

лям быстро реализовать массив зарядных устройств с разными значениями выходной мощности в соответствии с потребностями заказчиков. Топологии 30‑кВт субмодулей

или в режиме пиковой производительности. Такая устойчивость достигается не за счет каких-то дополнительных мер, а исключительно благодаря малым значениям EOSS, Q G и заряда обратного восстановления QRR. Ключи этого семейства с разными значениями RDS(ON) позволяют подобрать наиболее приемлемое устройство для каждого класса мощности. Выпрямительный каскад на вторичной стороне построен на 650‑В диодах Шоттки CoolSiC. Повышение КПД 30‑кВт субмодулей

Перейд я к решению, в котором доля карбидокремниевых устройств больше, можно увеличить КПД той же топологии. Кроме того, повышается надежность схемы за счет меньшего числа компонентов, т. к. снижаются тепловые потери. Вместо многоуровневых решений с высоковольтными DC/DC-преобразователями применяются параллельно установленные полномостовые LLC-преобразователи. Для работы с более высокими напряжениями звена постоянного тока на первичной стороне применяются 1200‑В CoolSiC MOSFET (см. рис. 3). Д л я р аб от ы с б ол е е в ы сок и м и напряжениями на вторичной с то роне применяются 1200‑В устройства CoolSiC. Сочетание меньшего числа компонентов с меньшим значением RDS (ON) каждого устройства позволяет сократить потери на проводимость. В общей сложности, у реализованных по этому принципу субмодулей – более продолжительный срок службы, более

электронные компоненты №04 2020

И с т о ч н и к и и м о д у л и п и та н и я

В диапазоне мощности 15–40 кВт рекомендуется использовать в субмодулях дискретные компоненты (см. рис. 2) с целью обеспечить КПД в пределах 93–95% при выходном напряжении 200–920 VDC (изделия компании CharIN). Входное напряжение, как правило 3‑фазное величиной 380 В АС, выпрямляется с помощью 3‑фазной схемы Виенна. Далее используются изолированные одинарные DC/DC полномостовые резонансные LLC-преобразователи (рассчитанные на 1200 В) или стек мостовых LLC (на 600–650 В), которые обеспечивают меняющееся выходное напряжение постоянного тока. Если не требуется, чтобы зарядные устройства постоянного тока возвращали энергию в сеть, в каскаде ККМ применяется Виеннавыпрямитель. Этому 3‑фазному 3‑уровневому ШИМ-выпрямителю необходимы только три активных ключа. Его выходным напряжением можно управлять. Этот выпрямитель работает даже при несбалансированной питающей сети или в случае потери одной фазы. Он также сохраняет устойчивость к сбоям благодаря тому, что в случае сбоя управляющей схемы не возникает короткое замыкание на выходе или во входном каскаде. Входной ток имеет синусоидальную форму. Коэффициент мощности разных вариантов исполнения выпрямителей достигает 0,997; коэффи-

циент нелинейных искажений: 5%; КПД: не менее 97%. Такая топология эффективно реализуется путем комбинации кремниевой и карбидокремниевой технологий. 1200‑В диоды Шоттки CoolSiC 5‑го поколения обеспечивают не зависящую от температуры коммутационную характеристику, стойкость к высоким значениям dv/dt и малое прямое напряжение величиной 1,25 В. В результате снижаются требования к охлаждению всей системы, и повышается надежность при очень высокой скорости коммутации. Для реализации эффективных решений с оптимизированной стоимостью в паре с этими диодами используются ключи 650‑В IGBT TRENCHSTOP 5 с малым напряжением насыщения V CEsat и низкими коммутационными потерями. В качес тве альтернативного варианта, позволяющего повысить КПД, диоды применяются совместно с ключами серии CoolMOS P7 в коммутационном каскаде со встречным включением, благодаря чему значительно сокращаются потери на переключение за счет малого значения E OSS , большему заряду затвора Q G и малому R DS(ON) величиной всего 24 мОм. В дву х у р овневы х р езонансных полномостовых LLC-преобразователях используются устройства CoolMOS CFD7 с внутренним быстродействующим диодом, благодаря чему обеспечивается защита в течение критичных рабочих фаз зарядного устройства ЭБП, особенно при запуске двигателя, в случае короткого замыкания на выходе

Рис. 3. Резонансный полномостовой LLC-каскад, полностью построенный на SiC-компонентах, в еще большей мере позволяет повысить КПД системы

высокая надежность, плотность мощности и коммутационные частоты. Выбор оптимального драйвера затвора

И с т о ч н и к и и м о д у л и п и та н и я

Управляющие сигналы от микроконтроллера XMC4000 или цифрового сигнального процессора (DSP) подаются на силовые устройства через соответствующий драйвер затвора. Решения

на базе технологии КнИ (кремний-на-изоляторе) с реализованным в микросхеме сдвигом уровня и гальваническим разделением сигналов с помощью трансформатора с воздушным сердечником обеспечивают требуемую эффективность при управлении полумостовыми и мостовыми каскадами. К числу критически важных измеряемых параметров относятся задержка на распространение, управляющий ток, устойчивость

Рис. 4. Структурные схемы одно- и двухканального драйверов затворов EiceDRIVER с трансформаторами с воздушным сердечником

www.elcomdesign.ru

к броскам напряжения, потери при смещении уровня, коммутационная частота и др. В рассматриваемых схемах применяются драйверы двух семейств – 1ED и 2EDi. 1EDCx0I12AH – одноканальные изолированные драйверы затвора с трансформаторной развязкой, которые выпускаются в разных корпусах и отвечают требованиям стандарта UL‑1577. Первичная сторона поддерживает широкий ряд напряжений, благодаря чему упрощается подключение к микроконтроллеру или DSP, а вторичная сторона поддерживает режимы работы с биполярными и униполярными сигналами. Выходной драйвер с полным размахом напряжения упрощает выбор резистора затвора, исключает необходимость во внешнем сильноточном возвратном диоде и улучшает управление dv/dt в конфигурациях с верхним и нижним плечами. 2EDS8265H – быстродействующий двухканальный драйвер затвора с изоляцией между первичной и вторичной сторонами, а также с межканальной изоляцией на выходе. Устройства CoolMOS CFD7 и CoolSiC, используемые на первичной стороне стекового LLC-преобразователя, отлично подавляют синфазный сигнал, обеспечивают быстрое распространение сигнала и высокий управляющий ток. Быстродействующее зарядное устройство для ЭБП оснащено функцией останова на те случаи, когда выходное устройство не подключено к источнику питания, а защита от просадок напряжения питания (UVLO) обеспечивает надежную работу всего приложения. Использование оптимальной топологии, в которой, например, развязывающие конденсаторы установлены рядом с выводами питания, а паразитная индуктивность уменьшается с помощью заземляющих слоев,

Выводы

Итак, чтобы электромобили с батарейным питанием можно было полноценно использовать при передвижении на небольшие и дальние расстояния, возможности зарядных станций должны во многом быть сходными с теми, которые имеются у автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. С этой целью разрабатываются зарядные устройства постоянного тока большой мощности, в т. ч. на 150 кВт. Зарядные устройства с такими габаритами строятся по модульному принципу, т. е. совмещают в себе несколько силовых модулей, чтобы обеспечить требуемую выходную мощность. Если рассматривать зарядные устройства, обладающие высоким КПД, повышенной надежностью, хорошими тепловыми характеристиками, малым размером и стоимостью, становится очевидным, что карбидокремниевые компоненты станут играть важную роль в разработке требуемых решений. Их можно комбинировать с имеющимися кремниевыми MOSFET-ключами или с карбидокремниевыми ключами в тех случаях, когда необходимо обеспечить максимальный КПД при сравнительно малом количестве компонентов. Модули с воздушным охлаждением мощностью 30 кВт и выше, в которых применяются соответствующие драйверы затворов и управляющая электроника, отвечают требованиям международных стандартов по зарядке.

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| Intel выпустила процессоры для ноутбуков на рекордные 5 ГГц |

Корпорация Intel представила десятое поколение мобильных процессоров семейства Comet Lake-H для высокопроизводительных ноутбуков. В состав новой линейки вошли шесть чипов, которые имеют от четырех до восьми ядер с поддержкой технологии Hyper-Threading и с базовым термопакетом (TDP) на 45 Вт. Все они построены на архитектуре Skylake и производятся по 14-нм техпроцессу. Три наиболее «продвинутых» процессора из линейки способны работать на рекордной для своего класса тактовой частоте, которая превышает 5 ГГц. Однако для ее достижения имеется несколько существенных условий. Достижение столь высоких частот обеспечивается применением технологии Intel Thermal Velocity Boost (TVB). Это сравнительно новая функция, которой оснащаются наиболее мощные ЦП Intel, начиная с 8-го поколения. Она позволяет автоматически на непродолжительное время повышать тактовую частоту одного или нескольких ядер в большей мере, чем при использовании технологии Intel Turbo Boost. Прирост тактовой частоты зависит от разницы между текущей температурой кристалла и максимальной, которая установлена производителем. По достижении порогового значения температуры частота процессора постепенно уменьшается. К примеру, кристаллы семейства Comet Lake-H позволяют «выжать» дополнительные 200 МГц при температуре ниже 65°С. Таким образом, продолжительность работы процессора в режиме TVB напрямую зависит от эффективности работы системы охлаждения ПК. Флагманом линейки выступает 8-ядерный Core i9-10980HK с базовой тактовой частотой 2,3 ГГц и функцией автоматического «разгона» до 5,3 ГГц при помощи TVB. Он обладает разблокированным множителем, что позволяет экспериментировать с «разгоном» вручную. Новинку в своем пресс-релизе Intel охарактеризовала как «самый быстрый мобильный процессор». Следующим по уровню производительности является кристалл Core i7-10875H, который также оснащен восемью ядрами, но работает на более низких частотах – 2,3 и 5,1 ГГц. Еще два процессора Core i7 10850H и Core i7-10750H имеют по шесть ядер и работают на частотах 2,7/5,0 ГГц и 2,6/5,1 ГГц. Причем, множитель первого из них частично разблокирован. Все кристаллы Core i7 семейства Comet Lake-H поддерживают технологию TVB. Замыкают линейку процессоры Core i5-10300H и Core i5-10400H с наиболее скромными характеристиками: четыре ядра, заблокированный множитель, тактовые частоты 2,6/4,6 и 2,5/4,5 ГГц. Поддержка TVB отсутствует. Все процессоры семейства поддерживают до 128 Гбайт оперативной памяти DDR4-2933, до 40 линий PCI Express, стандарты Thunderbolt 3 и Wi-Fi 6, а также фирменную память Intel Optane. www.avdsys.ru/pikeos

электронные компоненты №04 2020

И с т о ч н и к и и м о д у л и п и та н и я

обеспечивает хорошие тепловые и электрические характеристики (устойчивость к шуму). На рисунке 4 представлены структурные схемы однои двухканального драйверов затворов EiceDRIVER с трансформаторами с воздушным сердечником.

Снижение эксплуатационных расходов ЦОД с помощью интеллектуальных систем управления питанием Али Хусейн, ON Semiconductor Перевод: Сергей Щедрин, Sergey@mt-system.ru, «МТ-Системс»

В статье рассматриваются возможности интеллектуальных систем, позволяющие создавать комплексные, эффективные, компактные и надежные решения для управления питанием в центрах обработки данных.

важной информации. Облако реализовано в виде огромных центров обработки данных (ЦОД), объемы и количество которых быстро увеличиваются в соответствии с растущими потребностями в дополнительном хранилище (дисковом пространстве). Неудивительно, что для работы центров обработки данных требуется значительное количество электроэнергии. В настоящее время ЦОДы потребляют около 3% электроэнергии в США. Ожи-

дается, что в ближайшие два десятилетия этот показатель вырастет до 15%. Ежегодно производится более 10 млн серверных плат, и это число продолжает увеличиваться примерно на 5% в год в соответствии с постоянно растущим спросом пользователей и новых приложений, включая VR/AR, самообучающихся систем искусственного интеллекта (AI) и интернета вещей. Эффективное использование электроэнергии и надежность ее обеспе-

И с т о ч н и к и и м о д у л и п и та н и я

Человечество каждый день создает, использует и передает большие объемы данных, связанных с личной жизнью и работой. Кроме того, данные генерируются миллиардами устройств интернета вещей (IoT). По мере появления мобильных технологий 5‑го поколения (5G) количество ежедневно передаваемых и обрабатываемых данных значительно увеличивается. Все они должны храниться и обрабатываться. Мы все чаще обращаемся к «облаку» для хранения этой

Рис. 1. Многофазные контроллеры и силовые каскады DrMOS (драйвер + MOSFET)

электронные компоненты №04 2020

чения, очевидно, являются наиболее важными критериями выбора источников питания (ИП) для центров обработки данных. Место на плате физически ограничено, стоимость электроэнергии растет, а надежность систем имеет первостепенное значение. По мере возрастания эффективности преобразования энергии рабочие температ уры уменьшаются, благо даря чему повышается надежность и уменьшаются размеры преобразователей, что позволяет использовать вычислительные мощности и емкости хранения большего объема в ограниченном пространстве. В центрах обработки данных имеются компоненты с движущимися частями, например жесткие диски и вентиляторы, которые изнашиваются и могут выходить из строя при эксплуатации. В связи с этим системы электропитания должны обеспечивать горячее подключение данных устройств при ремонте или замене.

И с т о ч н и к и и м о д у л и п и та н и я

Решение задачи по обеспечению питанием

Чтобы соответствовать требованиям современных ЦОДов, микросхемы управления питанием должны стать более компактными, эффективными и комплексными. За последнее время технология MOSFET была значительно улучшена, позволив интегрировать микросхему управления и MOSFET в очень эффективный и компактный корпус. Например, синхронный пониж аю щ ий D C / D C- пр е о б р а з о в ате ль NCP3284 от ON Semiconductor обеспечивает выходной ток 30 А (в импульсе до 45 А) и имеет крошечный корпус 5×6 мм. Благодаря высокой частоте преобразования, достигающей 1 МГц, размер внешних компонентов, например индуктивностей и конденсаторов, тоже можно уменьшить. NCP3284 оснащен несколькими защитными функциями и программируемым плавным пуском. С ле д ующие по уровню мощно с т и ус т р ойс тв а – ин те л лек т у а ль ные компак тные преобразователи семейства Smart Power Stage (SPS), например FDMF3170, в которых объединены MOSFET, усовершенствованные ИС драйвера, а также датчики тока и температуры, что позволяет создавать сильноточные высокочастотные синхронные понижающие преобразователи постоянного тока (см. рис. 1). Столь высокий уровень интеграции SPS позволяет идеальным образом сочетать динамические характеристики драйвера и MOSFET, снизить паразитные эффек ты и сопротив ление MOSFET в открытом состоянии. Вместо

www.elcomdesign.ru

питания и позволяя работать жесткому диску в нормальном режиме. К о н т р о л л е р ы г о р яч е й з а м е н ы NCP81295/6 от ON Semiconduc tor, поддерживающие пиковый ток до 60 А (50 А – непрерывный), базируются на 0,8‑Ом MOSFET для эффективной работы. Эти контроллеры в 32‑выводном корпусе QFN размером 5×5 мм обеспечивают запирание или автоматический повтор и используются при температуре до 125°C. Сложные системы, например серверы, часто требуют интеллектуального управления своими энергосистемами для обеспечения корректной работы, а также максимально возможного уровня эффективности. Устройства управления нагрузкой позволяют сегментировать шины питания для более точного управления. Благодаря такому интеллектуальному управлению соблюдается правильная последовательность подачи питания при запуске, и снижаются эксплуатационные расходы за счет отключения неиспользуемых участков цепи. В свою очередь, снижение уровня потребляемой мощности уменьшает нагрев в системе, что увеличивает ее надежность и долговечность. Большинство переключателей нагрузки также позволяет управлять скоростью нарастания напряжения и предоставляет защиту в условиях неисправности. Встроенный переключатель нагрузки, например NCP455xx от ON Semiconductor, обеспечивает использование этих преимуществ при минимальном увеличении количества компонентов системы. Высокопроизводительные устройства представляют собой компактное решение, занимающее на 60% меньше площади печатной платы по сравнению с дискретным решением.

измерения тока с помощью собственного сопротивления индуктивности (DCR) или токочувствительного резис тора применяетс я высокоточный выходной сигнал IMON, который показывает силу тока через транзистор, устраняя потери, которыми обычно сопровождается использование двух первых методов. В современных серверных системах ЦОД даже простой предохранитель претерпел изменения. Вместо плавкого предохранителя в системах RAID ( дисковые массивы), в управлении питанием диска и серверных платах ввода-вывода используется интеллек т уальный полупроводниковый электронный предохранитель eFuse. В предохранителях eFuse применяются MOSFET с низким сопротивлением в открытом состоянии д ля защиты периферийных устройств в нормальном режиме эксплуатации и во время горячего подключения. Фактически, они могут применяться в любом приложении, где возникают сбои питания или нагрузки, а также где требуется ограничить броски тока. Эти предохранители, обеспечивающие защиту компонентов, разъемов и дорожек печатных плат, могут контролироваться системой и выполнять телеметрические функции, к которым относится мониторинг температуры и тока. Еще один предохранитель eFuse – NIS5021. Это устройство на 12 В/12 А, которое часто используется с жесткими дисками с возможностью горячего подключения. Он защищает жесткий диск от любого чрезмерного входного напряжения, которое может повредить чувствительные цепи. Встроенное устройство ограничивает выходное напряжение д ля защиты нагрузки, поддерживая непрерывную подачу

Таблица 1. Сравнение значений ширины запрещенной зоны широкозонных материалов Обозначение

Ширина запрещенной энергетической зоны, эВ

Германий

0,7

Кремний

1,1

Арсенид галлия

GaAs

1,4

Карбид кремния

SiC

3,3

Оксид цинка

ZnO

3,4

Нитрид галлия

GaN

3,4

5,5

Материал

Алмаз

Широкая запрещенная зона

Таблица 2. Преимущества MOSFET из карбида кремния SiС MOSFET*

Si MOSFET

Si IGBT

Напряжение пробоя, В

1200

RDS(ON) ∙ площадь, отн. ед.

100

3–5

Коммутационные потери, отн. ед.

3–5

*Параметры ключей SiC MOSFET близки к идеальным. В них хорошо сочетается очень малое RDS(ON) с низкими коммутационными потерями для напряжения выше 600 В

Широкозонные технологии

Пожалуй, наиболее значительным шагом вперед, который положительно повлияет на размер, надежность, эффективность и эксплуатационные расходы, станет переход к использованию полупроводников на основе широкозонных материалов (WBG), к которым относятся нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC). Широкозонные полупроводники, характеристики которых более эффективны, чем у полупроводников на основе кремния (Si), работают при более высоких частотах и более высоких температурах. В таблице 1 сравниваются значения ширины запрещенной зоны нескольких широкозонных материалов. Например, в повышающем преобразователе на 5 кВт, который обычно используется в серверных источниках питания, замена кремниевого ключа переключателем из карбида кремния уменьшает потери на 73% на частотах около 80 кГц, что значительно повышает эффективность системы. В результате уменьшается размер системы, т. к . п о в ерх н о с т ь д л я те п л о о т в о да становится меньше. Кроме того, в процессе эксплуатации сис те ма меньше нагреваетс я, благода р я ч е м у п о в ыш ае тс я на де ж н о с т ь

и у в е л ич и в а е тс я п л о т н о с т ь ко м понентов на п лате. Из таблицы 2 видно, что параметры к лючей SiC MOSFET близки к идеальным. Хорошее сочетание очень малой величины R DS(ON) и низких коммутационных потерь этих ключей позволяет применять их при напряжении выше 600 В. Не с м от р я на то, ч то це на к ар б и д о к р е м н и е в ы х M OS F E T в ы ш е п о ср ав н е нию с эк в ив а л е н т ны м и биполярными транзисторами с изолированным затвором (IGBT), экономия на индуктивностях и конденсаторах, достигающая 75%, позволяет уменьшить общую себестоимость изделия из карбида кремния в сравнении с себестоимостью изделия из кремния. Заметим, что экономия расходов на электроэнергию может достигать десятков тысяч или даже миллионов долларов в течение срока службы серверных стоек. Выводы

Потребность в огромных и постоянно рас т ущих объемах хранения данных создает очень конкурентную среду в индустрии центров обработки данных. Используемое физическое пр о с транс тво и энергопотр е бле ние являются двумя самыми боль-

шими затратными статьями. Чтобы уменьшить соответствующие расходы, требуются более эффективные, надежные и компак тные решения д ля серверов и ЦОД. Высокоинте грированные устройства, к которым относятся MOSFET, интеллектуальные устройства SPS, электронные предохранители eFuse и микросхемы для управления нагрузкой, позволяют создавать именно такие комплексные решения. Электронные предохранители играют ключевую роль в поддержании бесперебойной работы, поскольку они облегчают горячее подключение жестких дисков и вентиляторов, которые, как известно, подвержены сбоям. Заглядывая в ближайшее будущее, можно предположить, что применение широкозонных материалов уменьшит размеры устройств и улучшит их рабочие характеристики, повысит надежность и эффективность, сократив эксплуатационные расходы. Теперь, когда стоимость широкозонного изделия сопоставима или ниже цены аналогичного изделия на основе кремния, можно ожидать, что внедрение широкозонных устройств ускорится. Литература 1. Сайт ON Semiconductor//www.onsemi. com. И с т о ч н и к и и м о д у л и п и та н и я

электронные компоненты №04 2020

Усилители Догерти для современных систем связи Григорий Стародубцев, инженер

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

В статье рассматривается строение и принцип работы усилителей Догерти, их преимущества и недостатки. Приводится пример проектирования усилителя Догерти, работающего в полосе 1,8–2,7 ГГц.

В оборудовании для сотовой, беспроводной и радиосвязи, в т. ч. LTE и 5G, требуются усилители мощности, работающие в линейном режиме в широком диапазоне частот. Заметим, что при работе с малыми сигналами эффек тивность усилителя снижается. Для компенсации этого эффекта применяются разные методики, в т. ч. модуляция нагрузки и инверсия импеданса. В то же время усилители Догерти часто имеют ограниченную полосу пропускания из-за частотной зависимости схем согласования и инверсии, а также из-за фазовой задержки на линиях между внутренними усилительными блоками. Усилители мощности Догерти работают с сигналами с более высоким отношением пиковой мощности к средней, имея при этом достаточно высокий КПД. В усилителе имеются два усилительных каскада, каждый из которых имеет свое назначение. –– Усилитель несущей. Он работает в классе А или АВ и обеспечивает усиление при любом уровне мощности. Усилитель рассчитан на сигналы средней амплитуды. –– Пиковый усилитель. Он активируется, когда усилитель несущей близок к ограничению. Имеет большую допустимую мощность. Важной особенностью работы усилителей Догерти является активация пикового усилителя только в тех случаях, когда это требуется. Если он работает все время, КПД снижается. Для усилителя Догерти требуется разветвитель и объединяющее устройство (см. рис. 1). С помощью этих устройств мощность сигнала распределяется между усилителями, а их выходные сигналы суммируются. Следует помнить, что разветвитель и объединяющее устройство должны соответствовать требованиям по фазе и согласованию двух цепей.

–– Симметричный. Это наиболее простая схема, построенная на двух одинаковых усилителях. Недостатком является невысокий КПД. –– Асимметричный. Это наиболее распространенный тип усилителя. Пиковый усилитель имеет большую допустимую мощность и предназна-

Рис. 1. Функциональная схема усилителя Догерти

Рис. 2. Принцип разделения входного сигнала между усилителями

Типы усилителей Догерти

Существует несколько типов усилителей Догерти.

www.elcomdesign.ru

чен для усиления пиков входного сигнала, тогда как второй усилитель работает с малыми сигналами. Такой подход обеспечивает оптимальные характеристики. –– Цифровой. Используется в случаях, когда аналоговые схемы сложны в разработке или имеют недостаточ-

Рис. 3. Согласование импеданса в усилителе Догерти

Рис. 4. a) эквивалентная схема усилителя на нитриде галлия; б) зависимость S11 от частоты

ется потому, что используемые индуктивные разветвители вносят меньшие потери мощности. Один сигнал с разветвителя поступает на основной усилитель, рассчитанный на работу со слабыми сигналами. Второй сигнал подается в пиковый усилитель, который активируется только для обработки больших пиков, превышающих допустимые значения для основного усилителя (см. рис. 2). Поскольку второстепенный усилитель имеет низкую эффективность, его применяют только при необходимости. После усиления сигналы объединяются; для этого фаза одного из них смещается обратно, чтобы они были синфазными. Входной каскад работает как балансный усилитель. Отражающие коэффициенты рассогласованных усилите-

Преимущества и недостатки

Среди достоинств усилителей Догерти следует отметить более высокий КПД и простоту (по сравнению с отслеживанием огибающей), что, в конечном счете, обеспечивает более высокий КПД усилителя радиочастотного сигнала. В то же время усилители Догерти могут применяться только в ограниченной полосе, поскольку в широком диапазоне сложно обеспечить требуемое смещение фазы между разветвителями. Вторым недостатком является высокая стоимость по сравнению с одиночными усилителями. В‑третьих, они достаточно сложны в разработке, особенно на стадии оптимизации. Несмотря на перечисленные недостатки, усилители Догерти все больше применяются в базовых станциях мобильной связи и других системах беспроводной и радиосвязи, поскольку они обеспечивают более высокий КПД и линейную работу в широком диапазоне частот.

Принцип работы

В состав усилителя Догерти входят два внутренних усилителя, схемы разветвления, согласования и смещения фазы. Эти блоки должны быть оптимизированы. Основной усилитель, усилитель несущей, работает в режиме АВ. Второй (внутренний) усилитель называется второстепенным, или пиковым, и работает в режиме С. Сигнал, поступающий на вход усилителя Догерти, проходит через квадратурный разветвитель, который формирует два сигнала, смещенных на 90° относительно друг друга. Это дела-

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

ную полосу пропускания из-за специфичных схем сдвига фазы. В цифровых усилителях Догерти применяется таблица соответствия между усилителем несущей и пиковым усилителем для обеспечения динамического выравнивания фазы. В пиковом усилителе используется цифровое предыскажение, контур ОС разомкнут. Благодаря внесению предыскажений обеспечиваются относительно постоянные характеристики. Таким образом, любое рассогласование фаз между линиями передачи корректируется путем добавления постоянного смещения фаз на входной линии с отстающим сигналом. Цифровые усилители Догерти пока не получили широкого распространения, однако этот подход позволяет значительно упростить проектирование и потому является перспективным.

Рис. 5. a) усилитель несущей в режиме AB при согласовании в широкой полосе; б) результаты измерения

электронные компоненты №04 2020

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

Рис. 6. Широкополосный инвертированный усилитель Догерти

лей уменьшаются, если у них одинаковая амплитуда и фаза. Отраженные волны рассеиваются в нагрузке, подключенной к изолированному порту объединителя. Два выходных сигнала рассогласованы на 90°. Их выравнивание достигается с помощью четвертьволновой линии на выходе пикового усилителя. Импедансы следует точно согласовать, чтобы обеспечить высокий КПД . Импе данс обоих уси лите лей равен Z0/2. Он повышается с помощью четвертьволнового трансформатора до Z0 (см. рис. 3). Несмотря на видимую простоту, усилители работают в нелинейном режиме, поскольку пиковый усилитель функционирует только при необходимос ти. Во врем я работы выходной сигнал первого усилителя активно нагружает второй усилитель, поскольку они не изолированы. Таким образом, при проектировании схемы следует проводить нелинейный анализ.

Рис. 7. Результаты моделирования инвертированного усилителя Догерти в трех полосах частот

и той же в точке объединения. Разветвитель вносит смещение фазы 90° на одной из линий. Оно может быть удалено при объединении сигналов за счет добавления такого же смещения во вторую линию. При этом каждый усилитель вносит собственное

фазовое смещение. Соответственно, фазовый сдвиг на выходе изменяется, и схема работает несимметрично. –– Согласование импедансов. Необходимо обеспечить согласование импедансов внутренних усилителей во всем рабочем диапазоне.

Проектирование

Корректно разработанная схема обеспечивает оптимальные характеристики при заданных условиях, однако это не всегда удается. Для достижения наилучших характеристик требуется подобрать параметры и рабочую точку так, чтобы чувствительность к частоте, фазе и амплитуде была оптимальной. Для этого требуется хорошо понимать принципы работы усилителей, разветвителей и объединителей. Зачастую проектирование осуществляется на основе исходных проектов, предлагаемых производителями. При этом сложно обеспечить полную оптимизацию, поскольку исходные модели, как правило, меняют незначительно. Рассмотрим основные аспекты, которые следует учесть для качественной работы усилителя Догерти. –– Подд е р жа н ие ф а зы . В т е о р и и фаза сигналов, проходящих по разным контурам, должна быть одной

www.elcomdesign.ru

Рис. 8. Результаты измерения коэффициента эффективности стока и коэффициента усиления в пяти диапазонах

–– Линейность. При активации пикового усилителя могут наблюдаться нелинейности в выходном сигнале усилителя несущей. Из-за них появляются искажения в усиливаемом сигнале. Следует обеспечивать линейную работу во всем диапазоне. –– Полоса пропускания. Как правило, у усилителей Догерти – ограниченная полоса пропускания. Разветвители и объединители также имеют ограниченную полосу, вне которой фазовый сдвиг существенно меняется, что приводит к ухудшению характеристик усилителя Догерти. Несмотря на сложности разработки, усилители Догерти широко применяются в силовых выходных каскадах в станциях сотовой связи и других системах беспроводной и радиосвязи. После оптимизации у усилителей Догерти – значительно лучшие характеристики. Согласование импедансов

Выводы

Благодаря схемам согласования в широкой полосе можно получить усилитель Догерти, работающий в нескольких частотных диапазонах. Для повышения эффективности работы необходимо обеспечить согласование во всем диапазоне.

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

Итак, выходной каскад состоит из двух четвертьволновых инверторов импеданса с уменьшенным коэффициентом преобразования импедансов. Такая схема обеспечивает лучшие характеристики в широкой полосе частот по сравнению с классическим усилителем Догерти. Нагрузка, как правило, состоит из сосредоточенных компонентов или линии передачи с двумя–тремя согласующими секциями. Таким образом, согласующая схема частично выполнена внутри усилителя для устройств со средней выходной мощностью 40 Вт и выше, учитывая, что их импеданс низок. При более высоком импедансе вывода микросхемы появляется возможность обеспечить достаточное согласование в требуемом частотном диапазоне. На рисунке 4 приведена эквивалентная схема с согласующими элементами на входе и частотный отклик схемы. Рассмотрим транзисторный блок Sumitomo Electric Device Innovations, состоящий из шести транзисторов на нитриде галлия с высокой подвижностью электронов (15 Вт). Они соединены параллельно и обеспечивают общий выходной сигнал более 80 Вт в полосе 1,8–2,7 ГГц. К устройству подключен внешний трехсекционный микрополосковый трансформатор, разработанный в САПР Microwave Office на платформе AWR Design Environment (в настоящее время входит в состав Cadence Design Systems). Трансформатор выполнен на алюминиевой подложке с диэлектрической проницаемостью 250 и толщиной 0,16 мм. Таким образом, компактная структура преобразует входной импеданс устройства в 10 Ом, S11 не превышает –25 дБ. На рисунке 5 показана упрощенная схема усилителя несущей и его частотная характеристика. Несимметричный усилитель мощности на 80 Вт работает в режиме АВ. В нем имеются внешние входная и выходная согласующие схемы, работающие в диапазоне 1,8–2,7 ГГц. Классический усилитель Догерти имеет ограниченную полосу пропускания при слабом сигнале, поскольку он должен обеспечить четвертьволновое преобразование импеданса из 25 в 100 Ом, когда пиковый усилитель выключен.

когда проще обеспечить короткое замыкание, чем разрыв цепи, на выходе пикового усилителя. В этом случае очень малый выходной импеданс преобразуется в высокий (видимый со стороны нагрузки). Для увеличения выходной мощности пикового усилителя при высокой мощности входного сигнала следует обеспечить оптимальное согласование и смещение на выходе с учетом паразитных эффектов. В области малой мощности необходимо короткое замыкание. В Microwave Office был смоделирован коэффициент усиления большого сигнала и коэффициент эффективности стока на трех полосах: VGC = –2,5 В, VGP = –5,5 В и VDD = 50 В. На центральных частотах трех диапазонов (1,85; 2,15 и 2,65 ГГц) получены следующие значения: -- выходная мощность: более 53 дБм; -- линейный коэффициент мощности в диапазоне 1,8–2,7 ГГц: более 10 дБ; -- коэффициент эффективности стока в насыщении: более 50%; -- коэффициент потерь мощности: 7 дБ; -- коэффициент эффективности стока на меньших частотах (макс.): 70%. Графически результаты моделирования показаны на рисунке 7. На рисунке 8 показаны результаты измерений: -- коэффициент усиления мощности в диапазоне 1,8–2,7 ГГц: более 9 дБ; -- коэффициент эффективности стока: более 55% в насыщении и около 50% при коэффициенте потерь 7 дБ; -- коэффициент эффективности стока ниже 1,95 ГГц (макс.): более 70%.

Пример РЕКЛАМА

На рисунке 6 показан усилитель Догерти с инвертированной архитектурой. Она применяется в случаях,

электронные компоненты №04 2020

Ограничение выходного сигнала в усилителях Дмитрий Воробьев, инженер

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

В статье рассматривается явление ограничения выходного сигнала усилителя при подаче на вход импульса с крутым фронтом. Приводятся способы оценки максимальной скорости нарастания выходного сигнала при большом и малом сигналах.

Одной из основных характеристик операционных усилителей (ОУ) и полностью дифференциальных усилителей (ПДУ) является предельная скорость нарастания выходного сигнала. Как и произведение коэффициента усиления на полосу пропускания усилителей с ОС по напряжению, данный параметр чувствителен к ошибкам и при измерении, и при интерпретации. Ответ на вопрос о том, станет ли скорость нарастания ограничивать показатели работы конкретного усилителя, зависит от требуемого значения мгновенного выходного напряжения (dV/dt) для заданного частотного отклика на малый сигнал и желаемого выходного напряжения V STEP. Физические ограничения по скорости изменения напряжения мгновенны и связаны с наклоном АЧХ. Таким образом, указанное в документации значение имеет очень приближенный характер. Среди внутренних и внешних компонентов, которые оказывают влияние на максимальную скорость изменения выходного напряжения, следует отметить: -- источник питания, особенно с учетом разброса по производственным допускам и температурной зависимости; -- о б щ е е н а п р я ж е н и е п и т а н и я устройства: чем оно выше, тем меньше зависящие от напряжения емкости и тем больше предельная скорость нарастания; -- выходная нагрузка. Емкостная нагрузка может достигать максимального допустимого значения i/C = dV/dt до достижения предельной скорости нарастания; -- конфигурация усилителя. У инвертирующего усилителя – больше предельная скорость нарастания, чем у неинвертирующего. Физический предел dV/dt при анализе отклика на малый сигнал не заметен. Он проявляется, только когда выходной размах достигает предельно допустимых значений. Для большинства

www.elcomdesign.ru

усилителей с большим выходным размахом, малошумящих и прецизионных ПДУ ограничение выходного сигнала, вызванное превышением предельной скорости нарастания сигнала на большой части выходного прямоугольного импульса, является достаточно распространенным явлением. Поскольку ограничение выходного сигнала негативно влияет на время установления и приводит к увеличению искажений, для быстродействующих схем следует выбирать усилители с более высокой предельной скоростью нарастания, чтобы не превысить допустимых значений. Оценка ограничений по скорости нарастания начинается с частотного отклика на малый сигнал. При этом учитываются следующие аспекты: -- требуемый коэффициент усиления при малом сигнале – при более высоком коэффициенте ограничивается полоса пропускания и, как следствие, максимальное значение dV/dt для линейного выходного сигнала; -- формирование отклика на малый сигнал – например, активный ФНЧ формирует специфичный отклик, который имеет намного меньшее

максимальное значение dV/dt, чем усилительный каскад с единичным коэффициентом усиления, построенный на этом же ОУ. Рассмотрим скорость нарастания выходного сигнала подробнее. Усилители с малой скоростью нарастания

При проектировании высокоскоростных усилителей одной из ключевых задач является обеспечение максимально близких значений ширины полосы при малом и большом сигналах. Полоса пропускания при большом сигнале совпадает с полосой пропускания полной мощности, когда выходное напряжение VPP близко к максимально допустимому для выбранных источников питания. Ограничения по скорости нарастания появляются не только при импульсном воздействии, но и при тестировании полосы пропускания при большом сигнале. Для медленных усилителей, прецизионных усилителей и усилителей с ОС по напряжению вопрос соответствия полосы пропускания при большом и малом сигналах является второстепенным. Гораздо важнее такие параметры как высокий КПД, входное напряже-

Рис. 1. Типичный выходной импульс прецизионного усилителя OPA192 при ограничении

усилителей с высоким напряжением питания. Они сразу переходят в ограничение при подаче большого сигнала. –– В и н в е р т и р у ю щ е м в к л ю ч е н и и наблюдается отрицательный выброс на переднем фронте, если он слишком крутой. Поскольку сигнал отрицательный, у этого выброса – положительная амплитуда. Он обусловлен прохождением входного сигнала на выход перед началом работы ОУ. Пример на рисунке 1 является наиболее простым, однако во многих случаях ограничение происходит только на части выходного сигнала. Однополюсные усилители

При высоком коэффициенте усиления ПДУ, стабильный при единичном усилении, может переходить в ограничение отклика при малом сигнале, в результате чего выходная характеристика становится похожей на характеристику для однополюсного усилителя. Как правило, для оценки допустимой скорости нарастания рассматривается интервал 10–90% возрастающего фронта. Этого достаточно для простых случаев (как на рис. 1), когда ограничение происходит практически на всем сигнале, однако при линейном сигнале данный подход неприменим. Рассмотрим несколько уравнений. Идеальное время перехода однополюсного сигнала с 10 до 90% (Δt) рассчитывается следующим образом: . (1)

Разделив этот период на 80% выходного напряжения VSTEP, получим скорость нарастания на участке 10–90% линейного сигнала: . (2) Найдем импульсную характеристику для однополюсного сигнала при максимальном значении dV/dt в момент t = 0. Стандартная импульсная характеристика для однополюсного сигнала имеет вид: , (3) где τ≡1/(2πF–3 дБ). Решив уравнение относительно пикового значения dV/dt, получим: ,

. (4) Для линейного выходного сигнала пиковое значение dV/dt при t=0 намного выше, чем при нарастании сигнала с 10 до 90%. Если большая часть перехода находится в ограничении, как на рисунке 1, тогда методом оценки скорости нарастания выходного сигнала на участке 10–90% пользоваться можно. Если ограничение происходит на коротком участке, то наклон в интервале 10–90% всегда меньше значения dV/dt. Фактически, пиковое значение dV/dt при отсутствии ограничения скорости нарастания линейного выхода 1‑го порядка в 2π/2,29 = 2,74 раза больше наклона выходной характеристики. Рассмотрим пример. Произведение коэффициента усиления на полосу пропускания сдвоенного звукового ПДУ OPA1678 равно 17,5 МГц. При неинвертирующем включении коэффициент усиления равен 4, выходная характеристика при замкнутой петле ОС показана на рисунке 2. При коэффициенте усиления с замкнутой петлей ОС, равным 0 дБ, частота среза составляет 4,36 МГц, а запас по фазе – 80°. Благодаря этому запасу частота среза F–3 дБ увеличивается в 1,21 раз, достигая 5,28 МГц (см. рис. 3). Моделирование при коэффициенте усиления напряжения 4 подтверждает это значение F–3 дБ; наблюдается также 2‑й полюс (фазовый сдвиг –135°) на частоте 32,4 МГц. Этот 2‑й полюс мы используем позднее для повышения точности оценки пикового значения dV/dt в выходном сигнале, когда скорость нарастания не ограничивается. Пока этого не произошло, время нарастания постоянно и равно 0,35/F–3 дБ, т. е. 0,35/5,28 МГц = 66 нс при коэффициенте усиления 4. В документации на OPA1678 указана предельная скорость нарастания 9 В/мкс в инвертирующем включении при коэффициенте усиления –1. Разрешая уравнение (2) относительно VSTEP при F–3 дБ = 5,28 МГц и скорости нарастания SR = 9 В/мкс, получаем выходное напряжение менее 0,74 В. Выше этого напряжения начнется ограничение выходного сигнала. На рисунке 4 показан выходной сигнал с ограничением по скорости нарастания (VSTEP = 0,625 В) при небольшом напряжении смещения 0,74 мВ на входе. Увеличим передний фронт (см. рис. 5) и расположим маркеры на –0,25 В и 0,25 В. Время нарастания сигнала с 10 до 90% равно 70 нс, а средний наклон составляет 0,5 В/70 нс = 7,1 В/мкс. На приведенной характеристике можно выделить три области (см. рис. 6): -- исходную с очень быстрым изменением сигнала dV/dt, пропорциональным (VSTEP/τ) для модели 1‑го

электронные компоненты №04 2020

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

ние смещения, температурный дрейф. На рисунке 1 показан типичный вид зависимости для прецизионного ОУ OPA192. Видно, что передний и задний фронты имеют разный наклон. Ниже перечислены особенности работы в импульсном режиме, которые следует учитывать при большом сигнале (напряжение питания: ±5 В). –– Ограничение выходного сигнала наступает при воздействии прямоугольным сигналом ±5 В с очень крутым фронтом. –– Резистор R L = 1 кОм не приведен на схеме. В инвертирующем включении резистор в цепи ОС является частью нагрузки. Если резистор R L величиной 1 кОм включен параллельно C L , общая нагру зка при постоянном сигнале составляет 1 кОм||1 кОм = 500 Ом. Учитывая, что пиковый ток составляет ±10 мА, имеется большой запас, и усилитель не переходит в ограничение. –– Ограничение скорости нарастания наступает только при переключении сигнала. Скорость изменения dV/dt быстрее (8 В/310 нс = 26 В/мкс) на переднем фронте, чем на заднем, где она равна 6 В/330 нс = 18 В/мкс. В документации на OPA192 указана предельная скорость нарастания 20 В/мкс при коэффициенте усиления напряжения 1, однако соответствующая графическая зависимость не приведена. Поскольку сигнал переключается не только на положительный, но и отрицательный, следует использовать минимальное значение при проектировании. –– С к о р о с т ь н а р а с т а н и я с и г н а л а в инвертирующем включении всегда выше, чем в неинвертирующем, поскольку отсутствует синфазное напряжение во входном каскаде. При более высоком коэффициенте усиления в неинвертирующей схеме требуется меньший перепад синфазного входного напряжения, т. е. ограничение скорости нарастания наступает примерно на том же уровне, что и при инвертирующем режиме. –– При единичном коэффициенте усиления в инвертирующем режиме коэффициент шума равен 2. Таким образом, полоса пропускания при малом сигнале в замкнутой петле составляет примерно 5 МГц. Учитывая, что произведение полосы пропускания на коэффициент усиления равно 10 МГц, скорость изменения выходного сигнала значительно превосходит доступную скорость нарастания, когда выходной сигнал становится достаточно большим. Это типичная ситуация для прецизионных полностью дифференциальных

порядка (20,8 В/мкс). На этом участке скорость нарастания заметно превышена; -- участок с допустимой скоростью нарастания; -- экспоненциальное схож дение на ноль, когда мгновенное значение dV/dt падает значительно ниже моделированной скорости нарастания.

Несмотря на то, что зафиксировать пиковое значение dV/dt при воздействии импульсом удается не всегда, с делать приблизительную оценк у можно с помощью точечного графика. Выходной сигнал ограничивается при скорости нарастания выше 8,7 В/мкс: это пологий участок кривой на рисунке 6. Данное значение немного ниже указанного в документации (9 В/мкс

при инвертирующем режиме работы и единичном коэффициенте усиления), поскольку ограничение достигается из-за неинвертирующего коэффициента усиления, который равен 4. Моделированная характеристика начинается с dV/dt = 0 благодаря 2‑му полюсу в отклике на малый сигнал. Затем она поднимается выше предельной скорости нарастания, рассчитанной

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

Рис. 2. Моделирование коэффициента усиления петли ОС для OPA1678 при коэффициенте усиления 4, запасе по фазе 80° и FXOVER = 4,36 МГц

Рис. 3. Коэффициент усиления при замкнутой петле ОС +4. Полученные значения: F–3дБ = 5,28 МГц; частота 2-го полюса 32,4 МГц

Рис. 4. Выходной однополюсный сигнал с размахом ±0,3125 В

www.elcomdesign.ru

Рис. 5. Увеличенный фронт со временем нарастания 70 нс между уровнями 10% и 90%

приблизительно выражением VSTEP/τ. Таким образом, эта зависимость ограничивается и сходит на ноль в конце импульса. После участка с ограниченной скоростью нарастания усилитель переходит в линейный режим работы; далее характеристика плавно спускается к нулю. В большей части диапазона скорость нарастания по-прежнему ограничена, среднее значение dV/dt = 7,1 В/мкс. Практически всегда на фронте сигнала скорость нарастания ограничена, что можно отследить при большом импульсе. Как упоминалось, приблизительный анализ по нарастанию сигнала с 10 до 90% дает значительно меньший результат пикового значения dV/dt. Рассмотрим способы определения амплитуды импульса, при которой в усилителе с перекомпенсацией не происходит ограничение. Одним из подходов является решение уравнения (1) относительно VSTEP, чтобы сравнить предельную скорость нарастания и dV/dt в момент t = 0.

где SR – скорость нарастания. Подставляя 5,28 МГц и скорость слежения 8,7 В/мкс, получаем максимальное значение 0,26 В, при котором не происходит ограничения. Это значительно ниже, чем дает оценка по уровню 10% и 90% (из уравнения (2) получаем 0,74 В). Однако рассмотренный подход устарел. В современных ОУ частота полюса высока; при t = 0 может наблюдаться dV/dt = 0. Если частота полюса известна (32,4 МГц на рисунке 3), легко внести поправку на максимальное значение напряжения. Более точные результаты достигаются при анализе двух полюсов:

. (5)

Момент достижения пика выражается следующим образом: , (6)

где β ≡ P2/P1 (P1 – частота доминирующего полюса; P2 – частота 2‑го полюса; обе выражены в Гц). На рисунке 3 показаны результаты моделирования при коэффициенте усиления AV = 4 V/V для ОУ OPA1678; часто-

та 1‑го полюса P1 = 5,28 МГц = F–3dB, а частота 2‑го полюса P2 = 32,4 МГц. Отсюда: P2/P1 = 32,4/5,28 = 6,14 = β, tPEAK = 10,65 нс. Пиковое значение dV/dt| t = tPEAK = VSTEP ∙ 32,78 ∙ 0,703. Разрешая последнее уравнение и подставляя максимальную скорость слежения 8,7 В/мкс, получаем 378 мВ – максимальное напряжение, при котором не происходит ограничения. Это больше, чем 260 мВ, полученные при расчете по уравнению (4). Коэффициент 0,703 позволяет приблизить расчетные значения к результатам моделирования (см. рис. 6): для одного полюса получаем 20,8 В/мкс (уравнение (4)), для двух – 14,6 В/мкс (уравнение (5)). Повторяя моделирование для схемы на рисунке 5 при размахе выходного сигнала ±0,18 В (VSTEP = 360 мВ) и входном сигнале ±45 мВ, получаем зависимость dV/dt. При увеличении переднего фронта до 2 мкс наблюдается гладкий (без ограничения) отклик (см. рис. 7). Из рисунка 7 видно, что зависимость dV/dt = 0 при t = 0 ведет себя ожидаемо, затем она немного отклоняется от расчетного значения 0,36 В ∙ 5,28 МГц ∙ 2π ∙ 0,703 = 8,4 В/мкс. Гладкий участок отсутствует; затем зависимость плавно спадает до нуля, как это и должно быть. Таким образом, данная схема устанавливается гораздо быстрее, чем схема на рисунке 5, поскольку отсутствует ограничение VSTEP = 0,625 В. Напомним, что на выходной временной зависимости эти детали не заметны – их можно увидеть только при точечном анализе данных моделирования или измерений. Другим способом избежать ограничения является замедление входного сигнала, чтобы фронт имел нарастающую форму

электронные компоненты №04 2020

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

VSTEP = SR/(2πF–3 дБ),

Рис. 6. Изменение dV/dt на переднем фронте

Рис. 7. На переднем фронте скорость нарастания выходного сигнала имеет пик после 2 мкс, затем плавно спадает до нуля

с наклоном выше скорости нарастания. Часто это делается в более быстрых ОУ для сокращения времени установки. Схемы повышения скорости нарастания для быстродействующих усилителей

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

Как правило, ограничение предельной скорости нарастания в усилителях с токовой ОС обусловлено насыщением входного каскада, вызванного тем, что на токовых зеркалах, направляю-

щих ток ошибки в компенсационные у з лы, па дение напряжения выше. Для многих современных усилителей иногда с ложно найти предельную скорость нарастания. На рисунке 8 показана измеренная импульсная характеристика и зависимость dV/dt для ОУ THS3491. Видно, что при коэффициенте усиления напряжения 5 ограничение из-за входного буфера не наблюдается, на зависимости dV/dt отсутствуют пологие участки. Это говорит о том, что

ограничение по скорости нарастания отсутствует. Значение 8 В/нс используется потому, что пиковое значение d V / d t = 15 В / н с д л я и м п у л ь с а 20 В не было коррелировано с полосой пропускания при большом сигнале 10 V PP. Такой подход очень типичен для усилителей с токовой ОС, поскольку фронты импульса редко приводят к ограничению при инвертирующем коэффициенте усиления. Рассмотрим подход, применяемый к усилителям с ОС по напряжению. Вместо дифференциальной пары на входе установлены два буфера с единичным усилением, выходы которых соединены через резистор. Напряжение ошибки ОС преобразуется в ток ошибки в этом резисторе и поступает в прямую цепь. В итоге получается схема, похожая на ОУ с токовой ОС. Это большое преимущество с точки зрения предельной скорости нарастания. В данной конфигурации шумовое напряжение на входе выше, чем у классического усилителя с ОС по напряжению. На рисунке 9 показана типичная схема на примере LT6274. Предельная скорость нарастания, указанная в документации, равна 2200 В/мкс, входное шумовое напряжение составляет 10 нВ/√Гц при напряжении питания ±15 В.

Рис. 8. Выходной неограниченный сигнал при воздействии большим импульсом

Рис. 9. Схема повышения предельной скорости нарастания входного сигнала для LT6274 при единичном коэффициенте усиления. Показаны входные буферы с транскондуктивным элементом

www.elcomdesign.ru

Таблица 1. Основные характеристики полностью дифференциальных усилителей Производитель

Модель

Общее рабочее напряжение питания VS Мин. VS, В

Макс. VS, В

Полоса пропускания, МГц

Скорость нарастания, В/мкс

Макс. ICC на канал, мА

Плотность шумового напряжения VN_FLATBAND, нВ/√Гц

VOS (макс.), мВ

THS4541

2,7

5,4

620,0

1500

10,5

2,2

0,450

ADI

ADA4932

3,0

11,0

560,0

2200

9,6

3,6

2,200

ADI

ADA49401

3,0

7,0

260,0

1,4

3,9

0,350

THS4551

2,7

5,4

150,0

220

1,4

3,3

0,175

МChip

MCP6D11

2,5

5,5

82,0

1,8

5,0

0,150

THS4561

2,9

12,6

70,0

130

0,9

5,0

0,200

THS4531A

2,5

5,5

36,0

250

0,4

10,0

0,400

Среди современных ПДУ имеются модели с ОС по напряжению, имеющие более высокую предельную скорость нарастания и одновременно обеспечивающие стабильность при низком коэффициенте усиления и малый шум. В таблице 1 приведены характеристики нескольких моделей. Видно заметное отличие усилителей с повышенной предельной скоростью нарастания и малым статическим током покоя. Оценка пикового значения dV/dt отклика второго порядка

, (7) где VSTEP – желаемое конечное значение амплитуды импульса без учета выбросов. Множитель 2,85 только незначительно завышает пиковое значение dV/dt на диапазоне 0,7 < Q < 1,5. Это рабочий диапазон для большинства простых быстродействующих усилительных каскадов. Значения F –3 дБ и Q можно рассчитать относительно требуемого минимального значения предельной скорости нарастания, полученного из уравнения (7). Если требуется значение dV/dt, превышающее предельную скорость нарастания, выходной сигнал перестанет иметь форму идеальной кривой второго порядка, и dV/dt не будет превышать разрешенной скорости нарастания.

Рис. 10. Поиск масштабирующего коэффициента для более точного расчета dV/dt для выходного сигнала 2-го порядка в зависимости от добротности Активные фильтры

Частотный отклик на малый сигнал определяет требуемое значение скорости изменения выходного сигнала. Одним из наиболее распространенных случаев, когда быстродействующие усилители применяются в схемах с мед ленным выходным сигналом, являются активные фильтры. Во многих случаях произведение полосы пропускания на коэффициент усиления инструментального усилителя гораздо выше, чем полоса пропускания фильтра. Э та разница может быть обусловлена несколькими причинами, например ослаблением влияния произведения полосы пропускания на коэффициент усиления на выходной сигнал фильтра. Таким образом, он зависит только от допусков резисторов и конденсаторов.

Рассмотрим пример проектирования ФНЧ 2‑го порядка, построенного на двух ОУ, скорость нарастания которых существенно различается. Это позволит наглядно увидеть, как ограничивается выходной сигнал фильтра. Пусть имеется фильтр Баттерворта 4‑го порядка с частотой отсечки 500 кГц и коэффициентом усиления 2. Такие инструменты проектирования как Filterpro (Burr Brown) позволяют разделить усиление поровну между каскадами и расположить на выходе каскад с более высокой добротностью. Данный подход позволяет ограничить скорость нарастания входного сигнала до уровня, допустимого для выходного каскада. В таблице 2 приведены значения параметров для идеального случая: -- требуемое минимальное про изведение полосы пропускания

Таблица 2. Расчетные параметры активного фильтра при малом сигнале Произведение полосы пропускания на коэффициент усиления (мин.) Коэф. усиления постоянного сигнала K0

35,57 МГц 1,41

Коэф. усиления постоянного сигнала

2,98 дБ

500 кГц

1,31

Пиковая частота

420,90 кГц

Отклонение вых. сигнала (макс.)

3,0292 дБ

Коэф. усиления (пик.)

6,0136 дБ

F–3дБ

695,39 кГц

электронные компоненты №04 2020

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

Любое из рассмотренных быстродействующих устройств вырабатывает линейный выходной импульс, тогда как у высокоскоростных усилителей выходной сигнал представляет собой кривую 2‑го порядка. Только когда линейный выходной сигнал превосходит предельную скорость нарастания, происходит ограничение. На рисунке 10 показан масштабирующий коэффициент для оценки зависимости пикового значения dV/dt от добротности Q для идеальной кривой 2‑го порядка и заданных F–3 дБ и VSTEP. Точный результат может быть приближен простым уравнением:

Таблица 3. Основные характеристики усилителей, используемых в активном фильтре Производитель

Модель

Макс. VS, В

GBP, МГц

TINA GBP, МГц

SR, В/мкс

TINA SR, В/мкс

Запас, В

Мин. лин. I0, мА

Тип. ICC, мА

OPA810

200

0,2

3,7

140 МГц, RRIO, входной каскад JFET

NSM

LMP8671

1,0

5,0

40 В, МШУ, прецизионный

Описание

GBP – произведение коэффициента усиления на полосу пропускания. SR – предельная скорость нарастания, В/мкс.

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

Рис. 11. Результаты моделирования отклика на малый сигнал

Рис. 12. Соотношение между выбросом и пиковым значением малого сигнала при отклике на ступенчатый сигнал

52 Рис. 13. Выходной сигнал при подаче большого входного импульса для двух усилителей. Выходной сигнал усилителя LMP8671, работающего в нелинейном режиме, ограничен

-----

на коэффициент усиления для коэффициента усиления не менее 20 дБ (при замкнутой петле ОС); требуемый коэффициент усиления постоянного сигнала, который равен произведению общего коэффициента 2 на √2 (т. е. 3 дБ) в каждом каскаде; F0 = 500 кГц; добротность Q = 1,31; пиковая частота при малом сигнале, равная 421 кГц; максимальное отклонение выходного сигнала величиной 3 дБ;

www.elcomdesign.ru

-- коэффициент усиления равен 6 дБ при максимальном отклонении (на 3 дБ) от коэффициента усиления постоянного сигнала 3 дБ; -- расчетное значение частотного диапазона для малого сигнала F–3 дБ = 695 кГц (уравнение (1)). Чтобы увидеть, как происходит ограничение выходного сигнала, рассмотрим усилители, характеристики которых приведены в таблице 3. Полоса пропускания обоих усилителей допустима, однако их предельные скорости нарастания входного сигнала различаются в 10 раз. Усилитель LMP8671, обеспечивающий прецизионный сигнал, имеет сравнительно низкую предельную скорость нарастания для его произведения полосы пропускания на коэффициент усиления. При значениях резисторов и конденсаторов, приведенных на рисунке 11, достигается требуемая форма выходного сигнала. Маркерами показаны значения F–3 дБ и коэффициента усиления пика. Они соответствуют требуемым. Для формирования прямоугольного выходного сигнала с размахом ±10 В (включая выбросы) следует воспользоваться уравнением (8). Уравнение (9) определяет соотношение между выбросами и пиковыми значениями (перегрузкой) усилителя. , (8)

Рис. 14. Точечный анализ скорости нарастания выходного сигнала на переднем фронте входного сигнала для ОРА810 и LMP8671

. (9) При повышении добротности Q с 0,707 до 2,3 (при максимуме 7,5 дБ) получаем зависимость, показанную на рисунке 12. При максимуме 3 дБ (см. рис. 11) пиковое значение выходного прямоугольного сигнала составляет около 28% при каждом переключении. Чтобы получить конкретное значение ±VPEAK на идеальной выходной кривой, следует воспользоваться уравнением:

. (11)

Рабочая полоса усилителя LMP8671–9 МГц. При использовании уравнения (10) получаем предельную скорость нарастания 28 В/мкс, тогда как расчет по уравнению (11), учитывающему поправку на –3 дБ, дает более точное значение 20 В/мкс, которое соответствует указанному в документации и результатам моделирования (см. рис. 14). Поскольку в схемах с повышенной предельной скоростью нарастания скорость изменения выходного сигнала может быть гораздо выше, чем в уравнении (11), в него следует вносить дополнительные поправочные коэффициенты, а также проводить тестирование скорости нарастания при большом сигнале.

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

Ес ли, например, требуетс я, чтобы максимальный выходной сигнал составил ±10 В, то при броске 28% требуемый выходной сигнал равен ±6,4 В. Соо тветственно, входной прямоугольный импульс должен иметь амплитуду ±4,55 В, чтобы обеспечить пиковые значения выходного сигнала ±10 В при коэффициенте усиления напряжения 1,41. Вернемся к уравнению (7): при VSTEP = 2 ∙ 6,4 В = 12,8 В и F–3 дБ = 695 кГц получаем пиковую скорость изменения выходного сигнала dV/dt = 2,85 ∙ 12,8 В ∙ (695 кГц) = 25,3 В/мкс, что немного больше доступной скорости нарастания LMP8671, однако не выходит за предельные значения для OPA810. При моделировании (см. рис. 13) видно, что усилитель LMP8671 уходит в нелинейный режим работы, в то время как OPA810 остается идеальным. Когда OPA810 обеспечивает ожидаемый максимальный размах ±10 В, размах выходного сигнала составляет ±6,4 В (см. схему на рисунке 11). На рисунке не показано, что LMP8671 переходит в ограничение (превышена скорость нарастания 20 В/мкс), происходит срезание импульса, который постепенно восстанавливается до конечного значения. На рисунке 14 виден плоский участок на выходном сигнале LMP8671. Выходной сигнал усилителя ОРА810 достигает 25 В/мкс и сохраняет линейный режим работы в соответствии с уравнением (7).

К сожалению, оно дает неверный результат. Более точной, но, тем не менее, по-прежнему примерной, является оценка:

Выводы

Широко применяемый метод оценки предельной скорости нарастания по уровням 10 и 90% фронта сигнала надежен только в случаях, когда выходной сигнал большую часть времени переключения ограничен. В противном случае оценка сильно занижена, и следует использовать моделирование, тестирование или альтернативные методы расчета, приведенные в данной статье. В любом случае оценка предельной скорости нарастания является очень приблизительной. Это необходимо учитывать в схемах, чувствительных к данному параметру.

Предельная скорость нарастания и полоса пропускания

Существует несколько вариантов математического выражения зависимости между предельной скоростью нарастания (SR) и полосой пропускания при большом сигнале (LSBW). Наиболее часто используется выражение:

. (10)

Разборные металлические EMI SMD экраны Кварцевые генераторы 0532 на частоты до 125 МГц

электронные компоненты №04 2020

Повышение стабильности операционного усилителя Петр Карташов, инженер В статье рассматриваются основные причины потери стабильности операционных усилителей, и даются практические рекомендации по улучшению этой характеристики.

Усилители с обратной связью по напряжению

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

Рассмотрим упрощенную модель операционного усилителя (ОУ), охваченного обратной связью (ОС) по напряжению и включенного по схеме повторителя напряжения (см. рис. 1). Характеристика этого ОУ имеет, по крайней мере, два полюса. Обозначим полюс на низкой частоте F1, на высокой – F2; конденсатор С3 вносит ноль, чтобы компенсировать полюс на частоте F3. На рисунке 2 показана выходная характеристика ОУ с кусочно-линейной аппроксимацией.

Однако если полюс F2 находится на недостаточно высокой частоте, т. е. она меньше частоты среза, наклон характеристики на участке с точкой среза составляет почти –12 дБ на октаву (см. рис. 3). Запаса по амплитуде и фазе недостаточно, и усилитель с большой вероятностью перейдет в осцилляцию, т. е. схема будет работать нестабильно.

Рис. 3. АЧХ ОУ при F2 ниже частоты среза 0 дБ. Наклон характеристики –12 дБ на октаву

Рис. 1. Упрощенная схема ОУ, охваченного полной ОС

Если частота F2 достаточно высока, но имеется еще один полюс (см. рис. 4), то наклон характеристики в точке среза снова равен –12 дБ на октаву, и схема с большой степенью вероятности будет работать нестабильно. Заметим, что при

Рис. 2. Амплитудно-частотная характеристика ОУ

Если частота F2 выше частоты среза 0 дБ, наклон участка с частотой среза близок к –6 дБ на октаву. При этих условиях запаса устойчивости по амплитуде и фазе недостаточно, и самовозбуждение усилителя не происходит.

www.elcomdesign.ru

Рис. 4. При наличии 3-го полюса повышение F2 не приводит к стабилизации схемы

внесении еще одного полюса F3 при низкой частоте F2 наклон характеристики на частоте среза равен –18 дБ на октаву, т. е. осцилляция начнется обязательно. Рассмотрим схему на рисунке 5. Конденсатор С3 включен между инвертирующим и неинвертирующим входами, обратная связь обеспечивается двумя резисторами. При бесконечно большом сопротивлении R ОС максимально полная. Для анализа стабильности следует подключить C3 не к источнику питания, а к общему проводу, как показано на рисунке 5б. Принимая R3 = 10 кОм и используя рек урсивный дифф еренциа льный анализ, исследуем харак теристик у в неустановившемся режиме в зависимости от значения С3. В качестве примера рассмотрим усилитель с коэффициентом усиления при разомкнутой петле ОС 100 дБ, F1 = 10 Гц, F2 = 4 МГц. При этих данных точка единичного усиления приходится на частоту 1 МГц. Результаты для других значений С3 показаны на рисунке 6. Таким образом , можно с де лать вывод , что желательно иск лючить электромагнитные помехи, улучшить топологию платы и полностью отказаться от конденсатора С3, порождающего нестабильности контура ОС за счет потери запаса по фазе.

б)

а) Рис. 5. Пример повышения стабильности схемы

Рис. 6. Выходной сигнал при подаче прямоугольного напряжения

Рассмотрим эти рекомендации подробнее. Топология платы

Д ля обе спечения оптима льных характеристик усилителей требуется внимательно отнестись к топологии и трассировке платы. Особенное внимание следует уделить паразитным связям, внешним компонентам и номиналам резисторов (см. рис. 7–8).

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

Усилители с токовой ОС

Усилители с токовой ОС могут иметь большой выброс в выходном сигнале и работать нестабильно вплоть до перехода в режим генерации. Двумя основными причинами нестабильности являются низкое сопротивление резистора в цепи ОС и появление паразитных емкостей на входе и выходе по отношению к земле. В то время как малые емкости приводят к появлению выбросов на высоких частотах, большие емкости вызывают самовозбуждение усилителя, когда он перестает реагировать на входной сигнал. Во избежание негативного воздействия паразитной емкости на стабильность усилителя следует: 1) обеспечить правильную трассировку платы для сведения к минимуму паразитных связей; 2) использовать указанные в док ументации номиналы резисторов ОС и резисторов, определяющих коэффициент усиления, чтобы обеспечить достаточный запас по фазе и повысить устойчивость; 3) использовать компенсационные цепи для сглаживания выбросов в частотной характеристике.

Во‑первых, необходимо использовать развязывающие конденсаторы на выводах питания. Д ля высоких частот конденсаторы 100 нФ и 100 пФ включаются параллельно и располагаются на расстоянии не более 6 мм от вывода питания. Для низких частот следует установить танталовые конденсаторы емкостью 6,8 мкФ на большем расстоянии от усилителя, чтобы использовать их одновременно для

Рис. 7. Усилитель с токовой связью и компенсированными паразитными емкостями. Элементы RS, RIN и CIN служат для компенсации

электронные компоненты №04 2020

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

Рис. 8. Предлагаемая топология двухслойной печатной платы с участками без заливки

Рис. 9. Коэффициент усиления при разных номиналах элементов

нескольких устройств. Кроме того, необходимо избегать близкого расположения линий питания и заземления, чтобы уменьшить паразитную и н д у к т и в н о с т ь , о со б е н н о м е ж д у выводами источника питания и развязывающими конденсаторами. Во ‑вторых, поскольк у выход и инвертирующий вход усилителя являются наиболее чувствительными к паразитной емкости, выходной резистор R S следует располагать наиболее близко к выходному выводу. Резистор в цепи ОС и резистор, устанавливающий коэффициент усиления (R F и R G), должны находиться близко к инвертирующему входу. Они изолируют соответствующие порты от емкостных наводок со стороны линий передачи. Пр о с то й пассив ный R C- ф и льт р из компонентов R IN и CIN на неинвертирующем входе поможет компенсировать всплески коэффициента усиления, вызванные паразитными емкостями на инвертирующем входе. Следует определить необходимость в выходном развязывающем резисторе. При малых паразитных емкостных нагрузках (менее 5 пФ) RS, как правило, не требуется. При большей паразитной выходной емкости можно обойтись без него, однако следует установить более высокий коэффициент усиления при замкнутой ОС. Вблизи входных и выходных выводов следует оставлять участки, свободные от линий питания и заземления, во избежание появления паразитных связей по переменному току. На плате должен быть только один неразрывный слой питания и заземления. Подключение тестового оборудования к измеряемой линии осуществляется через резистор 100 Ом для ее изоляции от емкости щупа. Как правило, производители указывают несколько значений R F для разных значений коэффициента усиления. Номиналы из рекомендуемого перечня обеспечивают оптимальные характеристики – остальные могут вызвать отклонения. На рисунке 9 показано, как влияет сопротивление R F на работу схемы при коэффициенте усиления 2. Оптимальное сопротивление RF = 1,1 кОм для данного коэффициента усиления, и это подтверждается характеристиками, приведенными на рисунке 9. При увеличении R F до 1,5 кОм начинается ограничение полосы пропускания; уменьшение до 600 Ом приводит к появлению выброса (см. рис. 10). Компенсация паразитных емкостей

Рис. 10. Отклонение от рекомендуемого значения RF вызывает выброс и сокращает полосу пропускания

www.elcomdesign.ru

Чтобы различить паразитную емкость на входе и выходе, анализи-

руют реакцию на импульсное возмущение. Паразитная емкос ть на входе всегда меньше выходной, вызывает короткие выбросы в сигнале. Паразитная емкость на выходе, как правило, вызывает продолжительный «звон» (см. рис. 11). Паразитная емкость на входе

Обычно паразитная емкос ть C PI на инвертирующем входе мала, составляет 0,5–5 пФ и обусловлена конструкцией схемы, а также шунтирующим резистором R G . Вместе R F, R G и C PI вносят низкочастотную составляющ ую в О С уси лите ля, котора я преобразуется в высокочастотную в выходной характеристике усилителя V O/V I . Для ее компенсации ставят ФНЧ на неинвертирующем входе усилителя. С этой целью входная емкость на неинвертирующем входе должна соответствовать паразитной емкости на инвертирующем входе. Аналогично, сопротивление R IN должно быть равно параллельному соединению R F и R G . На рисунках 12–13 показаны частотная

Рис. 11. Перерегулирование сигнала за счет действия паразитной емкости на входе и «звон», обусловленный выходной паразитной емкостью

и импульсная характеристики схемы, приведенной на рисунке 7. Коэффициент усиления G = 2, R F = R G и имеют номиналы, рекомендованные производителем.

Рис. 13. Компенсация перерегулирования за счет RIN и CIN

Рис. 14. Компенсация небольшой выходной паразитной емкости путем увеличения RF

Рис. 15. После компенсации выходной сигнал практически не меняется

электронные компоненты №04 2020

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

Рис. 12. Удаление выброса за счет RIN и CIN

При CPI = 0 (черные кривые на рисунках 12 и 13) отс у тс твуют выбросы на обеих зависимостях. Номинальный коэффициент усиления: 6 дБ, амплитуда импульса: ±200 мВ при тестовом

входном сигнале ±100 мВ на частоте 10 МГц. При C PI = 5 пФ (красные кривые) наблюдается выброс почти 21 дБ и перерегулирование ±1 В. После компенсации (голубые линии) CIN = CPI = 5 пФ и R IN = R F||RG = R F/2; коэффициент усиления уве личиваетс я на 0,5 дБ, а перерегулирование выходного сигнала достигает ±45 мВ.

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

Паразитная выходная емкость

Паразитная емкость на выходе усилителя обусловлена конструктивными особенностями схемы, однако основной вклад вносят: -- большая емкость нагрузки, в т. ч. емкость переходов в подавителях помех; -- емкость управляющих диодов; -- емкость кабелей; -- входные емкости АЦП и других усилителей. Общее значение паразитной выходной емкости изменяется с 20 пФ до нескольких сотен пФ. Как уже упоминалось, малая паразитна я емкос ть на выходе незна чительно влияет на передаточную функцию, а большая может вызвать всплеск коэффициента усиления и продолжительный «звон» в импульсной характеристике. На рисунках 14–15 показано влияние выходной емкос ти 20 пФ. Коэффициент усиления увеличиваетс я менее чем на 1 дБ, а перерегулирование не достигает 30 мВ. Компенсация не требуется, хотя при необходимости достаточно немного увеличить сопротивления R F и RG . Напротив, компенсация больших емкостей необходима. На рисунках 16–17 п о к а з а н а ч ас т о т н а я з а в и си м о с т ь коэффициента усиления и выходная характеристика схем без компенсации. На сиреневой кривой наблюдается всплеск 15 дБ в передаточной характеристике и звон при реакции на импульс при C PO = 500 пФ. За счет увеличения R F и RG не удается добиться значительного улучшения (синяя кривая). Использование последовательно включенного резистора R S позволяет изолировать выход усилителя от емкости нагрузки (см. рис. 7). Достаточно RS = 3,9 Ом для сокращения всплеска коэффициента усиления до 0,5 дБ; при этом перерегулирование сигнала на выходе уменьшается с ±400 до ±50 мВ. Итак, для обеспечения стабильности усилителя следует придерживаться следующих рекомендаций: -- выбирать топологию платы, обеспечивающую минимальные паразитные емкости;

www.elcomdesign.ru

Рис. 16. Компенсация большой паразитной выходной емкости за счет RS

Рис. 17. Компенсация резистором RS обеспечивает значительное улучшение выходного сигнала

-- буферизовать линию питания на низких и высоких частотах при помощи конденсаторов 6,8 мкФ, 100 нФ и 100 пФ; - - установить резисторы с сопрот и в л е н и е м 10 0 О м м е ж д у тестовой точкой и измеряемой линией передачи для развязки сигнальной линии с емкос тью щупа; -- использовать номиналы резисторов, рекомендуемые производителем;

-- п р о в е с т и и с х о д н ы й а н а л и з на импульсное воздействие, чтобы выделить паразитную емкость на выходе и входе; -- компенсировать входную паразитную емкость, подключив RC-контур на неинвертирующий вход; -- компенсировать малую выходную емкость путем увеличения RF и RG; -- к о м п е н с и р о в а т ь б о л ь ш у ю выходную емкость включением небольшого развязывающего резистора R S .

Замена усилителей класса АВ усилителями класса D Александр Воронков, инженер Усилители класса D имеют более высокий КПД и рассеивают меньшую мощность, чем усилители класса АВ. В статье рассматриваются преимущества усилителей класса D.

Введение

Наиболее широко распространенные звуковые усилители мощности работают в режиме АВ, который обеспечивает высокую выходную мощность и минимальные искажения. Однако их недостатком является высокая потребляемая мощность. Для отвода выделяемого тепла требуются радиатор и система вентиляции. В связи с этим они постепенно замещаются усилителями класса D, особенно в автомобильном оборудовании. Усилители класса D имеют более высокий КПД и выделяют меньше тепла, чем усилители класса АВ.

Рис. 1. Общая схема усилителя класса D

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

Сравнение с другими усилителями

Усилители класса АВ имеют малые искажения – общие гармонические искажения и тепловой шум менее 0,1%, что обеспечивает высокую точность. Их недостатком является низкая эффективность: максимальный возможный КПД составляет около 60%. Кроме того, у них высокая потребляемую мощность, значительное тепловыделение, большой размер. КПД усилителей класса D превышает 90%. Они потребляют меньше энергии и выделяют меньше тепла. Кроме того, их размеры меньше, а мощность велика (400–500 Вт). К их недостаткам относятся высокие искажения (до 10%) и большой вносимый шум. Для лучшего понимания преимуществ и недостатков рассмотрим принцип работы усилителя в режиме D. На рисунке 1 показана схема усилителя класса D, на рисунке 2 – диаграммы, поясняющие принцип работы. Усилитель вырабатывает треугольный сигнал высокой частоты в диапазоне 50 кГц…2,1 МГц, который подается на один из входов компаратора. На второй вход поступает звуковой сигнал, который усиливается. Компаратор генерирует сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) с входным сигналом, который требуется усилить. Рабочий цикл ШИМсигнала меняется, а частота остается

www.elcomdesign.ru

Рис. 2. Выходной ШИМ-сигнал компаратора при подаче треугольного и звукового сигналов

постоянной. Сигнал ШИМ усиливается двумя полевыми транзисторами. Далее он поступает на ФНЧ для сглаживания и усреднения, после чего из него восстанавливается исходный звуковой сигнал. Выходные полевые транзисторы не потребляют мощность в выключенном состоянии. Поскольку во включенном сос тоянии у них малое сопротивление, их потребление невелико. За счет переключения удается повысить КПД, однако в выходном сигнале возникают гармоники, которые необходимо отфильтровать. Кроме того, при переключении естественным образом возникают шум или интерференция.

Например, если частота переключения 400 кГц, 2‑я и 3‑я гармоники (800 и 1200 кГц) попадают внутрь частотного радиодиапазона АМ (535–1705 кГц), что может привести к проблемам электромагнитной совместимости. Соответственно, выходной сигнал фильтруют либо используют более высокую частоту переключения. Как правило, к типовому усилителю класса D нагрузка подключается в мостовой конфигурации, как показано на рисунке 3. Во‑первых, такая конфигурация позволяет обойтись без двуполярного источника питания. На рисунке 1 показано, что для работы усилителя требуется двуполярный источник пита-

ния. Поскольку в автомобиле имеется только один источник +12 В, дополнительно требуются преобразователи, что необоснованно усложняет схему. Во‑вторых, на динамики (в нагрузку) поступает напряжение, которое в два раза больше на положительных и отрицательных пиках входного сигнала. Поскольку мощность пропорциональна квадрату напряжения, она заметно возрастает. Практически во всех интегральных усилителях к ласса D используется мостовая схема с балансируемым выходом динамика. При балансируемой нагрузке, как правило, используется двойной фильтр, показанный на рисунке 4. Современные усилители класса D

Сбои

C ростом количества устройств увеличивается необходимость контроля над их работой для обнаружения потенциальных критических отказов. Э тот контр оль об е спечив аетс я с помощью внешних схем диагностики, одну из которых мы рассмотрим ниже. Она позволяет распознать условия, при которых возникает короткое замыкание. При работе с несколькими динамиками появляются сбои из-за неправильного подк лючения межсоединений или от сбоя в оборудовании. К наиболее типичным ошибкам относятся неправильное подключение выходов

Рис. 3. Нагрузка, подключенная в мостовом включении, позволяет обойтись без отрицательного источника питания: а) концепция; б) схема

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

Рассмотрим усилитель к ласса D от Texas Instruments TPA6304‑Q1 для автомобильных информационно-развлекательных систем. Частота переключения этого миниатюрного усилителя с 4‑канальным аналоговым входом составляет 2,1 МГц. Выходная мощность: 27 Вт при нагрузке 4 Ом и 45 Вт – при 2 Ом. Уровень искажений: 10% (включая тепловой шум). Напряжение источника питания: 14,4 В. Благодаря высокой частоте переключения TPA6304‑Q1 удается уменьшить размер дросселя и всей платы в целом и, кроме того, избежать интерференции в АМ-диапазоне. В итоге общая стоимость системы снижается. Для TPA6304‑Q1 требуется источник питания 14,4 В. Усилитель работает в широком диапазоне напряжения питания 4,5–18 В. Он имеет малый размер и предназначен для автомобильных информационно-развлекательных систем. Для ИС TPA6304‑ Q1 выпускается оценочный модуль с входом USB и аналоговым входом, а также со встроенным контроллером USB-I2C для работы через графический пользовательский интерфейс.

Рис. 4. Типичная конфигурация ФНЧ для сбалансированной нагрузки. Чем выше скорость переключения, тем меньшие по размеру индукторы требуются для фильтрации ШИМ-сигнала

усилителя к динамикам еще на стадии производства, тестирования или обслуживания. К этим ошибкам относятся короткое замыкание: -- на положительной линии питания; -- при заземлении; -- в нагрузке. Обрыв нагрузки

Для обнаружения отк люченного динамика используется схема, показанная на рисунке 5. Она подключается между выводами динамика и реализуется вручную или через специализированные ключи электронной развязки, которые посто-

янно замкнуты, но активируются только по мере необходимости. Инверторы и источники опорного напряжения реализуются с помощью делителей напряжения в линии постоянного напряжения питания 12 В. Ошибки детектируются путем отслеживания выходных сигналов усилителей 1, 2 и 3. Как правило, они сдвинуты по уровню и подключены к диагностирующему контроллеру. В таблице показаны условия обнаружения сбоя. На рисунке 6 представлена схема развязывающего ключа. Когда на входе контроллера ноль, транзистор Q3 выключен, транзисторы Q1 и Q2 не проводят

электронные компоненты №04 2020

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

Рис. 5. Схема обнаружения ошибок в усилителях класса D позволяет обнаружить короткое замыкание, разрыв и другие условия

Рис. 6. Схема развязывающего ключа

(открыты). При поступлении логической единицы на транзистор Q3 он включается, на транзисторах Q1 и Q2 появляется напряжение, и активируется функция обнаружения ошибок. Интерференция

По мере того как увеличивается количество электронных устройств, обостряется проблема электромагнитной интерференции. Усилители класса D вносят в нее существенный вклад за счет переключений. Однако схемотехнически интерференцию можно свести к минимуму. Наиболее чувствительным к электромагнитному излучению устройством является АМ-приемник. Гармоники, генерируемые усилите лями к ласса D при переключении на частотах 100–500 кГц, – одни из основных источ-

ников шума. Частоты 535–1705 кГц входят в полосу АМ. Таким образом, 2‑я, 3‑я и 4‑я гармоники попадают точно в полосу, создавая шум. Одним из решений является повышение частоты переключения, что и было реализовано в усилителях Texas Instruments, которые работают на частоте 2,1 МГц. Кроме того, усилитель позволяет использовать меньшие дроссели и конденсаторы в выходном фильтре. Усилитель TAS6424‑Q1 является первым усилителем класса D на 2,1 МГц, предназначенным для автомобильных информационно -развлекательных систем. Он поддерживает входной цифровой сигнал 96 кГц с высоким разрешением и малыми искажениями. Ему требуются меньшие внешние фильтры. Таким образом, исключает-

Таблица. Выходной сигнал при некоторых типах отказов Сбой

Выход 3

Выход 2

Выход 1

Короткое замыкание на землю

высокий

низкий

высокий

Короткое замыкание на нагрузке

высокий

низкий

Короткое замыкание на источнике питания

низкий

высокий

Разрыв в нагрузке

низкий

высокий

Нет ошибки

высокий

www.elcomdesign.ru

ся до 18 внешних компонентов, что, в конечном счете, обеспечивает меньший размер и стоимость по сравнению с другими решениями. Максимальная выходная мощность на канал: 75 Вт. Основные характеристики TAS6424‑Q1: -- в хо д : ч е т ы р е к а н а л а I 2 S и л и 4/8 каналов TDM; частота выборки: 44,1; 48 и 96 кГц; 16‑или 32‑разрядный формат; -- аудиовыход: нагрузка в мостовом включении, в т. ч. параллельная; -- 75 Вт при нагрузке 4 Ом и напряжении 25 В; -- 45 Вт при нагрузке 2 Ом и напряжении 14,4 В; -- 150 Вт при нагрузке 2 Ом и напряж е н и и 2 5 В (п а р а л л е л ь н а я нагрузка); -- общие искажения (в т. ч. тепловой шум): 10% на максимальной мощности; при мощности 1 Вт: менее 0,03%; -- встроенный блок диагностики; -- встроенный блок защиты; -- напряжение питания 4,5–26,4 В; -- управление I2C; -- размер корпуса HSSOP с 56 выводами: 18,41×7,49 мм. Для ускорения и упрощения разработки предоставляется оценочный модуль. Выводы

С каж дым годом количество устройств на приборной панели растет. В дальнейшем эта тенденция сохранится. Основное преимущество усилителей класса D в том, что они позволяют уменьшить размер устройств. Кроме того, высокий КПД сводит к минимуму рассеиваемое тепло. Еще одним преимуществом этих усилителей является меньшая электромагнитная интерференция. Автомобильные устройства должны пройти испытания на электромагнитное излучение, при которых оценивается каждый потенциальный источник.

Обратноходовые преобразователи на основе GaN-технологии от компании Power Integrations Крис Ли (Chris Lee), Power Integrations

Дискретные силовые компоненты

Полупроводниковые приборы на основе нитрида галлия (GaN) если еще и не вошли в повседневную практику, то, по крайне мере, не в диковинку. Несколько компаний производит коммерческие GaN FET. Относительно недавно к ним примкнула компания Power Integrations. О ее продукции на основе GaN и пойдет речь в статье.

Компания анонсировала обратноходовые преобразователи семейства InnoSwitch3 с регулированием по напряжению и току (CV/CC). Новые микросхемы обеспечивают КПД до 95% во всем диапазоне нагрузок и способны без радиаторов передавать в нагрузку мощность до 100 Вт в закрытых адаптерах. Подобные показатели достигнуты за счет проприетарной технологии высоковольтного переключения (PowiGaN).

Как извес тно, GaN предс тав ля ет собой полупроводник с широкой запрещенной зоной, благодаря чему можно значительно увеличить максимально допустимое блокирующее напряжение, а высокая подвижность носителей позволяет создать силовые ключи с крайне низкими коммутационными потерями при замыкании и размыкании ключа. По сравнению с кремниевыми аналогами можно сказать, что коммутаци-

Рис. 1. Переходные процессы при коммутации силовых ключей

www.elcomdesign.ru

онные потери у GaN FET практически равны нулю и, в основном, определяются внутренней емкостью. Последняя у GaN FET значительно меньше, чем у кремниевых MOSFET, из-за меньшего размера кристалла при том же значении сопротивления открытого канала RDS(ON). Другими словами, для обеспечения малого сопротивления открытого канала полупроводниковому GaN-прибору требуется кристалл меньшего размера, чем кремниевому аналогу.

Рис. 2. Зависимости КПД устройств семейства InnoSwitch3-Pro от входного напряжения

конкретного приложения. Скорость коммутации ключей в этих микросхемах оптимизирована с целью уменьшения длительности и колебательности переходных процессов для увеличения КПД и соответствия требованиям электромагнитной совместимости. В интегральном решении так же уменьшаются задержки срабатывания защиты. В PowiGaN ток измеряется без помощи внешних шунтов; кроме того, эта технология предусматривает схему запуска, что устраняет необходимость во внешнем смещении. Еще одним преимуществом рассматриваемой технологии является измерение тока без использования внешних шунтов. Все компоненты для измерения тока, в т. ч. токочувствительные резисторы, интегрированы в микросхему PowiGaN. Режимы работы преобразователей семейства InnoSwitch3, базирующихся на технологии PowiGaN, ничем не отличаются от таковых для традиционных компонентов с кремниевыми ключами. Рабочая частота, конструкция трансформатора, ЭМП-фильтры, синхронные выпрямители идентичны и для технологии PowiGaN, и для традиционных кремниевых устройств. Необходимы лишь конструктивные изменения с учетом увеличения мощности преобразователей PowiGaN. Пакет инструментальных средств проектирования PI Expert подходит для обеих технологий. С помощью инструментов PI Expert можно выбрать оптимальные компоненты для конкретного преобразователя, получить полную специфи-

кацию и симулировать магнитное поле преобразователя. Технология PowiGaN оптимизирована для использования в автономных обратноходовых преобразователях и рассчитана на соответс твующие номинальные напряжения. Микросхемы PowiGaN производятся на тех же фабах, что и их кремниевые «собратья», и подвергаются тем же проверкам и квалификационным испытаниям. Кроме того, эти микросхемы проходят квалификационные тесты на длительную работу в реальных силовых преобразователях. Все эти меры позволили свести отказы к крайне низкому уровню – не более 0,2 ppm. Помимо упомянутых тестов компоненты PowiGaN проходят испытания DOPL (Dynamic Operating Life) и HALT (Highly Accelerated Life Test). Первые позволяют определить устойчивость к динамическим воздействиям, вторые – устойчивость к стрессовым воздействиям в жестких условиях эксплуатации. Благодаря столь тщательному подходу были предложены и запатентованы оригинальные решения. Обратноходовые преобразователи работают в широком диапазоне входного напряжения. Однако они испытывают перенапряжения, складывающиеся из выпрямленного входного напряжения (VBUS), выходного напряжения (VOR), умноженного на коэффициент передачи трансформатора, и всплесков напряжения (V LE ), возникающих из-за индуктивностей рассеяния при отключении силового ключа.

электронные компоненты №04 2020

Дискретные силовые компоненты

К лючевой особеннос тью новой технологии PowiGaN компании Power Integrations является оптимизация размера кристалла, благодаря чему появилась возможность интегрировать все устройство в один корпус SOP‑24C. При этом удалось увеличить мощность устройства, не применяя дополнительных радиаторов, что позволяет повысить КПД всего источника питания в целом. При использовании дискретных силовых ключей одной из основных проблем являются паразитные индуктивности и емкости цепи управления затвором к люча силовой цепи, из-за которых при кру тых фронтах переключения возникает явно выраженный колебательный переходный процесс. При изменении напряжения (dv/dt) с высокой скоростью появляются высокочастотные колебания, которые порож дают электромагнитные помехи и уменьшают КПД устройства. Из-за крутых фронтов нарастания тока и напряжения могут возникнуть проблемы с защитой ключей GaN FET – ток или напряжение достигают критического уровня до того, как успеет сработать защита. Описанные проблемы решаются пу тем интеграции силового к люча и цепей управления затвором в одну микросхему. При этом заметно уменьшается длина проводников и, следовательно, их паразитные емкости и индуктивности. В состав компонентов, произведенных по технологии PowiGaN, входят драйверы, адаптированные для

Дискретные силовые компоненты

Рис. 3. Схема включения устройства InnoSwitch3-СР

На рисунке 1 показаны переходные процессы, возникающие при замыкании (см. рис. 1а) и размыкании (см. рис. 1б) силового ключа обратноходового преобразователя семейства InnoSwitch3‑Pro при выпрямленном входном напряжении 100 В. На рисунке 1а выходное напряжение преобразователя составляет 5 В, а выходной ток – 3 А. На рисунке 1б эти величины равны 5 В и 5 А, соответственно. На рисунке 2 приведен график зависимости КПД от входного напряжения для устройств семейства InnoSwitch3‑Pro, базирующихся на технологии PowiGaN с разным выходным напряжением. На этом же рисунке показаны печатные платы обратноходового преобразователя. Не следует забывать, что к блокам питания с обратноходовыми преобра-

зователями прикладываются и всплески напряжения этой сети, особенно если к этой же сети подключено силовое электрооборудование. По описанным выше причинам и с учетом максимально возможного по европейским стандартам напряжения сети 264 В преобразователи PowiGaN рассчитаны на максимальные неповторяющиеся напряжения 750 В, что гарантирует их надежную работу во всех электрических сетях (см. рис. 3). На рисунке 3а показана схема включения устройства InnoSwitch3 СР, а на рисунке 3б – примерные значения перенапряжений, возникающих на силовом ключе. Величина максимального повторяющегося напряжения составляет 650 В. Его превышение не вызовет отказ, но может привести к временно-

му увеличению сопротивления открыт о г о к а н а л а R D S (ON ) . Те м н е м е н е е в переходных процессах преобразователи выдерживают перенапряжения до 750 В. Устройства оснащены быстродействующей защитой. Если напряжение превысило допустимый порог, устройство отключается. Те х н о л о г и я Pow i G a N о сн о в ан а на использовании хорошо зареко мендовавших себя надежных микрос хем InnoSwitch3, InnoSwitch3‑ Pro и LYTSwitch‑6. GaN FET гораздо ближе к понятию «идеальный ключ», чем традиционный кремниевый MOSFET. Интеграция силовых GaN FET и драйверов затвора со всеми защитами в один корпус значительно упрощает применение GaN FET в силовых преобразователях.

СОБЫТИЯ РЫНКА

| «Микрон» сертифицировал систему менеджмента качества (СМК) |

Сертификат соответствия IATF 16949:2016 выдан по результатам аудита United Registrar of Systems Ltd. (URS Certification, Великобритания), который «Микрон» успешно прошел в декабре 2018 г. (1‑й этап) и в декабре 2019 г. (2‑й этап). Срок действия сертификата – три года, с 2020 до 2023 гг. «Это важный шаг в развитии системы менеджмента качества «Микрона» и необходимое условие для работы на рынке автоэлектроники, – заметил Денис Сергиенко, директор по управлению качеством и развитию бизнес-процессов ПАО «Микрон». – Сертификат подтверждает, что производство микросхем, управляющих светодиодными приборами, которое «Микрон» начал в 2018 г., обеспечено высоким организационно-техническим уровнем процессов и современной системой менеджмента качества». Соответствие требованиям IATF 16949:2016 необходимо для работы компании на мировом рынке автоэлектроники, который в настоящее время является одним из быстрорастущих сегментов электронной промышленности: с 2016 г. темпы его роста в среднем составляют 13,4% в год. В линейку «Микрона» для автопрома входят не только стандартные массовые контроллеры, но и адаптированные под требования конкретных автопроизводителей. Первая партия микросхем, управляющих светодиодными приборами освещения автомобилей, была изготовлена в 2018 г. Автомобильная электроника составляет около 40% стоимости автомобиля. Система менеджмента качества внедрена на «Микроне» с 1997 г. На протяжении 20 лет компания поддерживает и совершенствует корпоративную политику соответствия международным стандартам: бизнес-процессы выстроены и сертифицированы в соответствии со стандартами ISO 9001:2015, ISO 14001:2015, ISO 50001:2011, IATF 16949. IATF 16949:2016 – отраслевой управленческий стандарт «Фундаментальные требования к системе менеджмента качества для производств автомобильной промышленности и организаций, производящих соответствующие сервисные части». URS Certification – независимый орган по сертификации с офисами более чем в 30 странах мира. URS входит в группу органов по сертификации, официально признаваемых Международной автомобильной рабочей группой (International Automotive Task Force, IATF). Качество услуг, предлагаемых URS, обеспечивается аккредитацией в крупнейшем британском органе UKAS (United Kingdom Accreditation Service), что гарантирует высокое качество процессов сертификации и высокую квалификацию экспертов в профессиональных областях. https://mikron.ru

www.elcomdesign.ru

Силовые SiC-модули следующего поколения Нилс Солтау (Nils Soltau), Экхард Тхал (Eckhard Thal), Mitsubishi Electric Europe, Тору Мацуока (Toru Matsuoka), Mitsubishi Electric Corporation

Сильноточные силовые SiC-модули, выпускаемые компанией Mitsubishi Electric для разных классов напряжения, широко известны в отрасли. В настоящее время производятся 1200‑и 1700‑В силовые SiC-модули второго поколения, характеристики которых стали лучше, чем у изделий первого поколения. Кроме того, линейка новых модулей стала шире. В кристаллы MOSFET силовых SiC-модулей с номинальным напряжением 3300 и 6500 В компания Mitsubishi Electric встраивает диоды Шоттки. В статье рассматриваются результаты самых последних исследований этой передовой технологии.

Дискретные силовые компоненты

Введение

Пр и м е н е н и е к ар б и д а к р е м ни я (SiC) стало еще одним большим шагом в современной силовой электронике. Силовые устройства на основе SiC обладают большими возможностями и более высоким КПД по сравнению с традиционными кремниевыми материалами. Компания Mitsubishi Electric приступила к разработке силовых полупроводников на основе карбида кремния еще в начале 1990‑х гг. За последние 10 лет ей удалось коммерциализировать много SiC-устройств с разными значениями номинального напряжения и тока. Особое внимание при этом было уделано большим SiC-кристаллам и сильноточным SiC-модулям. В некоторых приложениях, например в грузоподъемном оборудовании, источниках бесперебойного питания, фотоэлектрических системах и в железнодорожном транспорте использование высокомощных SiC-модулей обеспечивает очень привлекательные характеристики, в т. ч. плотность мощности. В статье рассматриваются результаты самых последних научно-исследовательских работ компании Mitsubishi в области карбидокремниевых силовых модулей. В частности, мы представим 1200‑ и 1700‑В модули 2‑го поколения, инновационные решения и более совершенные характеристики по сравнению с характеристиками модулей предыдущего поколения. Одним из препятствий на пути повышения номинального напряжения карбидокремниевых MOSFET является ухудшение (деградация) характеристик внутреннего диода. Чтобы обойти это препятствие, применяется диод Шоттки, установленный антипараллельно SiC MOSFET. Компания Mitsubishi интегрирует этот диод в кристалл MOSFET,

www.elcomdesign.ru

Рис. 1. SiC-модуль 2-го поколения с RTC-защитой от короткого замыкания, полностью базирующийся на SiC-устройствах

Рис. 2. Поперечное сечение кристаллов SiC MOSFET 1-го и 2-го поколений

благодаря чему существенно повышается плотность мощности высоковольтных SiC-устройств. Подробности такого решения рассматриваются в заключительном разделе этой статьи для 3300‑ и 6500‑В устройств. 6‑дюймовые SiC-модули 2‑го поколения

Давайте рассмотрим 4H-SiC MOSFET 2‑го поколения от компании Mitsubishi с номинальными напряжениями на 1200 и 1700 В (см. в [2] характери-

стики 600‑В SiC MOSFET). Как видно из рисунка 1, шаг меж ду ячейками 1200‑В ключей SiC MOSFET 2‑го поколения с оптимизированным p‑карманом, выпущенных на недавно разработанной линии по производству 6‑дюймовых SiCпластин, стал меньше. Оптимизирован был и профиль легирования канала (см. рис. 2) [3]. В результате повысилась надежность оксидного слоя затвора, и уменьшились потери на проводимость. На рисунке 3 представлена зависимость удельного сопротивления

открытого канала RON, SP при комнатной температуре 1200‑В кристаллов MOSFET 1‑го и 2‑го поколений с номинальной плотностью тока 100 A/см2. Видно, что этот показатель уменьшился на 33% с 4,5 до 3,0 мОм∙см2 благодаря оптимизированной структуре ячеек. При сокращении шага между ячейками сужается область JFET. Если ее ширина становится слишком малой, увеличивается сопротивление канала в открытом состоянии. Однако компания Mitsubishi решила эту проблему путем легирования области JFET (см. рис. 4). Благодаря оптимизированному легированию JFET планарные ключи MOSFET могут составить конкуренцию современным trench-структурам, что видно из рисунка 5. В то же время планарная структура менее сложна по сравнению с затворной trench-структурой. Коммутационная характеристика SiC MOSFET 2‑го поколения тоже улучшилась. Емкость Миллера стала меньше, благодаря чему выросла частота коммутации. Как видно из рисунка 6, потери

Рис. 3. Типовые выходные характеристики 1200-В SiC MOSFET 1-го и 2-го поколений [3]

на включение и выключение уменьшились на 23 и 37%, соответственно, по сравнению с устройствами предыдущего поколения. Уменьшился шаг между ячейками и у 1700‑В ключей SiC MOSFET. Кроме

б)

Рис. 4. а) поперечное сечение SiC MOSFET; б) влияние легированной области JFET на сопротивление канала в открытом состоянии

Дискретные силовые компоненты

а)

того, у них так же оптимизирован профиль легирования. В [4] демонс трируетс я эффек тивнос ть этих сильноточных крис таллов в полумостовом модуле на 300 А. Величина V DS(ON) составляет 2,75 В при токе

Рис. 5. Сравнение значений сопротивления RDS(ON) 1200-В ключей SiC MOSFET, имеющих планарную и trench-структуру (Т = 25°С)

электронные компоненты №04 2020

Дискретные силовые компоненты

а)

б)

Рис. 6. Коммутационные сигналы 1200-В ключей SiC MOSFET 1-го и 2-го поколений: а) включение; б) выключение [3]

стока 300 A и температуре перехода 150°C. Значения E ON и EOFF при 300 A и 150°C равны 12,0 и 3,0 мДж, соответственно (при RG = 1,6 мОм). Эти характеристики проводимости и коммутации – среди самых лучших из известных. Как правило, величину RDS(ON) нельзя существенно уменьшить во избежание короткого замыкания (КЗ). Вообще говоря,

обеспечение защиты SiC-устройств от КЗ является достаточно трудной задачей. С учетом этого обстоятельства компания Mitsubishi Electric разработала еще для SiC-устройств 1‑го поколения метод управления в реальном времени (RTC) [5], который обеспечивает собственную быструю защиту от КЗ. На рисунках 7–8 показана принципиальная схема RTC и форма сигналов при коротком замыкании. Как только эта схема обнаруживает КЗ, она автоматически уменьшает напряжение затвора, чтобы ограничить величину тока короткого замыкания. В результате уменьшается энергия, рассеиваемая в это время в SiC MOSFET. Такая защита позволяет выбирать драйвер затвора и его характеристики, не предусматривая меры по быстрой защите от КЗ. Управление в реальном времени обеспечивает эффективную защиту от КЗ, что доказала эксплуатация SiC-модулей 1‑го поколения. Этой же схемой оснащена вся линейка устройств 2‑го поколения компании Mitsubishi Electric с номинальным током в диапазоне 300–1200 А (см. табл.). SiC-модули для высоковольтных приложений

Биполярная деградация (BPD) – хорошо известный и описанный механизм ухудшения характеристик полупроводникоТаблица. Линейка SiC MOSFET 2-го поколения 1200 В

Рис. 7. Схема управления в реальном времени для защиты от короткого замыкания

www.elcomdesign.ru

1700 В

без RTC

с RTC

без RTC

с RTC

300 А

–

4-в-1**

–

2-в-1

400 А

4-в-1

–

600 А

–

2-в-1

–

800 А

2-в-1*

2-в-1

–

1200 А

–

2-в-1

–

* 2-в-1: полумостовой модуль ** 4-в-1: полномостовой модуль

Выводы

Преобразователи, в которых применяются карбидокремниевые силовые модули, – следующий большой шаг в современной силовой электронике.

Рис. 8. Управление в реальном времени для защиты от КЗ

Рис. 9. Схематичное изображение поперечного сечения MOSFET с диодом Шоттки и фото дефектов кристаллической структуры из-за двуполярной деградации

Дискретные силовые компоненты

вых SiC-материалов (см. рис. 9). Причина деградации заключается в том, что при протекании двуполярного тока через внутренний диод SiC MOSFET возникает сдвиг SiC-решетки [6, 7]. Для предотвращения этого нежелательного эффекта компания Mitsubishi установила SiC-диод Шоттки параллельно внутреннему диоду MOSFET. Если падение напряжения на диоде Шоттки достаточно мало, через него протекает избыточный ток, что предотвращает протекание двуполярного тока через внутренний диод. Данный метод доказал свою эффективность за четыре года эксплуатации в полевых условиях 3300‑В устройств, полностью выполненных на карбиде кремния. Площадь области кристалла диода Шоттки, используемого для предотвращения биполярного тока, зависит от напряжения. Если номинальное напряжение составляет 3300 В, она в 1,3 раза превышает площадь кристалла MOSFET, а у 6500‑В устройства – в три раза. Поскольку в таких случаях ухудшается эффективность использования монтажной площади кристаллов в силовых модулях, компания Mitsubishi ищет более совершенные методы для высоковольтных устройств. Использование диода Шоттки в кристалле MOSFET – многообещающая идея, реализация которой была уже продемонстрирована на модели 6500‑В SiC MOSFET [8, 9] (см. рис. 10). Как видно из рисунка 11, площадь нового MOSFET со встроенным диодом Шоттки стала меньше, благодаря чему возросла плотность мощности силового модуля. Более того, благодаря встроенному диоду Шоттки обеспечиваются превосходные коммутационные характеристики 3300‑В устройства [10]. На рисунке 12 показаны коммутационные сигналы ключей MOSFET со встроенным диодом Шоттки, с внешним диодом Шоттки и без этого диода. Из графика видно, что у MOSFET со встроенным диодом Шоттки – минимальные коммутационные потери, т. к. суммарный заряд QСУМ меньше, чем у всех устройств. В результате потери при замыкании ключа уменьшаются на 20% по сравнению с ключом с внешним диодом Шоттки. Более того, в отличие от MOSFET без диода Шоттки, у ключа со встроенным диодом отсутствует биполярная деградация, и обеспечивается превосходная плотность мощности.

Рис. 10. 6500-В модуль в корпусе HV100, выполненный полностью на карбидокремниевых компонентах

У этих модулей – наилучшие в своем классе значения плотности мощности и КПД. Компания Mitsubishi Electric предлагает силовые SiC-модули с высокими номинальными токами во всех

классах напряжения, которые требуются высокомощным преобразователям. В настоящее время компания выпускает 1200‑ и 1700‑В SiC-модули 2‑го поколения. Эффективность этих устройств уве-

электронные компоненты №04 2020

Дискретные силовые компоненты

Рис. 11. Сравнение стандартного MOSFET с MOSFET со встроенным диодом Шоттки

72 Рис. 12. Топология кристалла, токи и напряжения MOSFET: (A) со встроенным диодом Шоттки; (B4) с внешними диодами Шоттки; (C) без диода Шоттки [10]

личилась, а технология RTC защищает их от короткого замыкания. Кристаллы MOSFET с интегрированными диодами Шоттки позволяют реализовать силовые модули с высокой плотностью мощности для классов напряжения 3300 и 6500 В. Компания Mitsubishi Electric, приступившая к проектированию карбидокремниевых устройств в 1990‑х гг., в настоящее время располагает широкой линейкой SiC-устройств в диапазоне 1200–3300 В. Модули с более высоким

www.elcomdesign.ru

номинальным напряжением находятся на стадии разработки. Литература 1. www.bodospower.com. 2. Y. Ebiike, T. Tanioka, M. Furuhashi, A. Osawa and M. Imaizumi. Characteristics of High-Threshold-Voltage Low-Loss 4H-SiC MOSFETs with Improved MOS Cell Structure. Materials Science Forum. No. 858. 2016. 3 .   T.   Ta n i o k a , Y.   E b i i k e , Y.   O r i t s u k i , M. Imaizumi and M. Tarutani. High Performance

4H-SiC MOSFETs with Optimum Design of Active Cell and Re-Oxidation. PCIM Europe. Nuremberg. Germany. 2018. 4. K . Hamano, Y. Oritsuki, T. Tanioka, N. Hanano, M. Imaizumi, E. Suekawa, M. Tarutani and Y. Miyazaki. 2nd generation High performance 4H-SiC MOSFETs with 1.7 kV rating for high power applications. PCIM Europe. Nuremberg. Germany. 2019. 5. E. Thal, K. Masuda and E. Wiesner. New 800A/1200V Full SiC Module. Bodo’s Power Systems. Apr. 2015.

6. H. Jacobsson al. et. Properties of Different Stacking Faults that Cause Degradation in SiC PiN Diodes. Materials Science Forum. Switzerland. 2003. 7. P. O. A. Persson et. al. Structural defects in electrically degraded 4H-SiC p+/n‑/n+ diodes. Applied Physics Letters. Vol. 80. No. 25. 24.06.2002. 8. S. Hino, H. Hatta, K. Sadamatsu, Y. Nagahisa, S. Yamamoto, T. Iwamatsu, Y. Yamamoto, M. Imaizumi, S. Nakata and S. Yamakawa. Demonstration of SiC–MOSFET Embedding Schottky Barrier Diode for Inactivation of Parasitic Body Diode. Material Science Forum. No. Vol. 897. 2017. 9. K. Kawahara and S. Hino et. al. 6.5 kV Schottky-Barrier-DiodeEmbedded SiC–MOSFET for Compact Full-Unipolar Module. 29th Int. Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs. Sapporo. 2017. 10. T. Tominaga, S. Hino, Y. Mitsui, J. Nakashima, K. Kawahara, S. Tomohisa and N. Miura. Superior Switching Characteristics of

SiC–MOSFET Embedding SBD. 31st International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs. Shanghai. China. 2019. 11. Mitsubishi Electric Corporation, Mitsubishi Electric’s New 6.5 kV FullSiC Power Semiconductor Module Achieves World’s Highest Power Density. Japan: Press Release No. 3164. 2018. 12. J. Yamada and E. Thal. SiC Power Modules for a Wide Application range. Bodo’s Power Systems. Sep. 2017. 13. N. Soltau, E. Wiesner, R. Tsuda, K. Hatori and H. Uemura. Impact of Gate Control on the Switching Performance of a 750A/3300V Dual SiC–Module. in 20th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE’18 ECCE Europe). Riga. 2018. 14. N. Soltau, E. Wiesner, K. Hatori and H. Uemura. 3.3 kV Full SiC MOSFETs – Towards High-Performance Traction Inverters. Bodo’s Power Systems. No. 01. 2017. 15. J. Yamada and E. Thal. Gaining Speed: Mitsubishi Electric SiC-Power Modules. Bodo’s Power Systems. Sep. 2018.

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| Платформа для развития наноэлектроники и квантовых процессоров |

Ученые Школы естественных наук Дальневосточного федерального университета (ШЕН ДВФУ) вместе с коллегами из Китайской академии наук разработали микроструктуру из платины, кобальта и оксида магния, которая работает в режиме троичной логики («да» – «нет» – «не знаю»). На ее основе можно будет строить миниатюрные устройства электроники и спинтроники (электроники, функционирующей на спиновом токе), квантовые процессоры, оперирующие кутритами (с тремя состояниями, в отличие от кубитов) и нейроморфные системы, имитирующие функционал человеческого мозга. Статья об этом опубликована в Physical Review Applied. Разработана крестообразная микроструктура, которая состоит из нанометровых слоев платины, кобальта, оксида магния и покрывающего слоя платины. Такая структура может быть и процессором, и блоком памяти одновременно, что способствует миниатюризации устройств, реализованных на ее платформе, – устройств электроники и спинтроники с троичной логикой, в т. ч. квантовых процессоров, оперирующих кутритами (три состояния, в отличие от кубитов), и нейроморфных систем, имитирующих функционал головного мозга. www.russianelectronics.ru

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| SYSGO ELinOS – встроенная операционная система бытовой техники Miele |

Операционная система ELinOS компании SYSGO – Embedded Linux для промышленных применений, выбрана компанией Miele в качестве встроенной ОС бытовой техники серии Generation 7000. Специально для Miele ядро ELinOS было оптимизировано для того, чтобы время загрузки ОС не превышало 200 мс, а все функции были доступны пользователю немедленно после включения прибора. Также ОС ELinOS управляет сенсорной панелью M Touch, которая обеспечивает доступ пользователя к функциям прибора. Операционная система ELinOS основана на дистрибутиве Debian и ядре Linux с долгосрочной поддержкой LTS (Long Term Supported). Текущая версия ELinOS 7.0 основана на Linux Kernel 4.19 LTS, использует инструментальные средства QEMU 4.1.0, GCC 8.3, Glibc 2.28, GDB 8.2, LTTng 2.9.4 и собственную среду разработки CODEO компании SYSGO. ELinOS поддерживается для 32/64‑разрядных процессорных архитектур x86, PowerPC и ARM. В перечне поддерживаемых BSP (Board Support Package) – более ста плат различных производителей. Компания SYSGO производит также операционную систему реального времени с гипервизором PikeOS, предназначенную для применения во встроенных системах, сертифицируемых по стандартам функциональной безопасности DO‑178C (авионика), МЭК 61508 (промышленные системы управления), EN 50128 (железнодорожные системы), ИСО 26262 (автомобильная электроника), МЭК 62304 (медицинское оборудование). Недавно PikeOS была сертифицирована по международному стандарту информационной безопасности ИСО/МЭК 15408 «Общие критерии» на оценочный уровень доверия EAL3+. Операционная система ELinOS работает как автономно, так и в качестве «гостевой ОС» в разделе (partition) гипервизора PikeOS. Тестовая версия ELinOS доступна для загрузки с сайта SYSGO. Дистрибьютор компании SYSGO в России – компания АВД Системы, поставщик средств разработки программного обеспечения критически важных для безопасности сертифицируемых встраиваемых компьютерных систем. www.avdsys.ru/pikeos

электронные компоненты №04 2020

Дискретные силовые компоненты

Доверенная платформа для обеспечения безопасности на всех этапах разработки Николя Демулен (Nicolas Demoulin), менеджер по маркетингу EMEA, Microchip Technology

Микроконтроллеры и микропроцессоры

Безопасность – ключевое требование встраиваемых систем. Подключение устройств к интернету с целью упростить контроль над ними и обеспечить доставку данных в реальном времени с помощью датчиков сопряжено с высоким риском вмешательства злоумышленников. В результате могут пострадать не только отдельные устройства, но и вся сеть.

Понимая этот риск, производители не должны выпускать продукцию для интернета вещей, не оснащенную защитой от хакерских атак. Очевидно, что эти системы требуют использования средств аутентификации и шифрования. Поскольку при этом необходимо также ограничить энергопотребление интернета вещей, задача по реализации эффективных и адекватных механизмов обеспечения безопасности намного усложняется. Для защиты встраиваемых систем требуется программное и аппаратное обеспечение. В незащищенное оборудование может проникнуть вредоносный код, который используется киберпреступниками для атаки на операторскую сеть или для кражи данных. В то же время многие неопытные разработчики испытывают немалые трудности при оснащении приложений средствами безопасности. Одни м из глав ны х т р е б ов аний к эффективной защите является обеспечение уникальной идентификации для каждого сетевого устройства. Хакеры используют один общий недостаток – слишком простой пароль или логин, который присваивается специалистами по ремонту и техническому обслуживанию. Зная логин, можно получить доступ не только к одному устройству, но и к целому парку оборудования. Кибермошенники создают ботнеты – компьютерные сети, создающие распределенные атаки типа «отказ в обслуживании» (DoS-атаки), в результате которых пользователи не могут получить доступ к сайту или веб-сервису из-за его перегрузки. Вредоносные коды идентифицируются и регистрируются в каждом подключенном к интернету устройстве. Метод уникальной идентификации предоставляет каждой системе собственный набор удостоверений

www.elcomdesign.ru

защиты и существенно сокращает возможности хакеров создать бот-сети. Доступ получает только авторизованный пользователь с правильным набором регистрационных данных. Однако такой повышенный уровень защиты по-разному реализуется при проектировании и в процессе управления сервисами. Реализация эффективной защиты, которая облегчает разработку, достигается пу тем тщательного выбора. Сначала выбирается оборудование для защиты целостности устройства. Эта защита не только исключает доступ к вс троенному ПО ус тройс тва без прохождения авторизации, но и предотвращает возможность его использования для сетевой атаки. Например, если хакер получил параметры доступа к одному устройству, необходимо, чтобы он не смог применить их для создания, например, бот-сети. Таким образом, идентификация и сохранность (целостность) тесно связаны друг с другом. Инфраструктура открытых ключей (PKI) предоставляет средства создания и проверки уникальной доверенной идентификации не только внутри самого устройства, но и всей сети. PKI-инфраструктура основана на идее асимметричного шифрования – методе, который арифметически связывает два цифровых ключа. Один из них является открытым и, как правило, применяется для проверки сообщений. Как следует из его названия, этот ключ можно широко использовать, не создавая угрозы безопасности. Открытый ключ обеспечивает простой способ отправки защищенных сообщений устройствам, которые его «знают». Самому устройству требуется закрытый ключ для подписи отправленных сообщений, которые верифицируются с помощью соответствующего открытого ключа.

П о б а з о в ы м о п е р а ц и я м в PK I инфраструктуре можно установить более струк т урированные модели аутентификации, к которым относятся цифровые сертификаты, доказывающие идентификацию устройства. Для создания цифрового сертификата устройство помечает сообщение или вызов, создавая подпись (сигнатуру) с помощью закрытого ключа. Соответствующий открытый ключ используется принимающей стороной для установления подлинности подписи. Закрытому ключу требуется надежная защита. Недостаточно только записать ключ в энергонезависимую память устройства до его использования в сети, т. к. легко получить доступ к этому ключу. Закрытый ключ никогда нельзя раскрывать. Если это произойдет, хакеры получат возможность создать клоны сетевых устройств. Подменив оригинальные устройства, клоны нарушают безопасность сетевых приложений, работа которых зависит от данных, передаваемых устройствами. Проблема схемы на основе с т ан д ар т н о го м ик р о ко н т р о л л ер а заключается в том, что любой криптографической программе, работающей на процессорном ядре, требуется доступ к закрытому ключу для вычислений. При этом пре дполагаетс я, что к люч хранится в контроллере. Следовательно, главное требование к оборудованию состоит в использовании элемента безопасности для перемещения операций шифрования в отдельную защищенную облас ть вмес те с безопасным хранилищем закрытых к лючей (см. рис. 1). Если ключ и криптографические функции хранятся совместно в одной и той же физической защищенной облас ти, исключается необходимость в отправке конфиденциальных данных через внутреннюю системную шину.

Рис. 1. Элемент безопасности, являющийся вспомогательным средством для микроконтроллера, – тот самый «сейф», в котором хранится конфиденциальная информация

Несмотря на то, что элемент безопасности совместно с микроконтроллером создает надежную основу для обеспечения высокого уровня защиты подключаемых устройств, эта комбинация – лишь часть всего решения. Известно немало сценариев использования приложений, включая создание сложных протоколов для встраиваемого ПО с помощью основных функций, которыми располагает элемент безопасности. Например, помимо безопасной загрузки IoT-устройству требуется связь с удаленными хостами с использованием шифрованных протоколов, например TLS, и генерация сертификатов по требованию, которые доказывают, что устройство не подверглось взлому, если оно намеревается подключиться к новому сервису. В тех случаях, когда производитель или оператор услуг желает отправить обновления для кода, необходимо верифицировать сигнатуру встроенного ПО до обновления памяти и перезагрузки системы. Еще одним требованием может стать наличие способности осуществлять опознание вспомогательных устройств или картриджей и определять их подлинность. Эта функция может выполняться с помощью протоколов, с ходных с теми, которые применяются для верификации кода, но с несколькими принципиальными отличиями. Например, каждое периферийное устройство должно иметь собственный элемент безопасности для проверки подлинности хост-системы, в которую оно встроено. Хотя принципы реализации этих функций у каждого протокола достаточно простые, оснащение ими может оказаться затруднительным, поскольку возможность отладки ограничена необходимостью системы отвечать требованиям протоколов безопасности.

Часто считается, что нажатие кнопки перезагрузки системы или очистка содержимого памяти обеспечит доступ к нереагирующему устройству. Режимы отладки, как правило, предоставляют разработчику привилегированный доступ к системе. Однако при использовании более высоких уровней безопасности подключаемой к интернету системы некоторые из этих способов не работают. Невозможнос ть кор ректной реализации программного обеспечения может стать причиной утраты доступа к опытному образцу. Наибольшие хлопоты при разработке безопасной системы возникают при отладке ключевых протоколов. Например, можно легко внес ти ошибки в код, который обрабатывает пароли или сертификат безопасности, в результате чего устройство перестанет отвечать на допустимые запросы. Если для восстановления доступа к устройству было бы достаточно нажать кнопку перезагрузки, этой возможностью легко воспользовались бы хакеры для проникновения в систему. Таким образом, разработка, отвечающая требованиям к безопасности, требует гораздо больше усилий. Это препятствие становится труднопреодолимым, если группа разработчиков не обладает достаточным опытом. Однако одним из преимущес тв систем, построенных на PKI-инфра структуре, является реализация приложений поверх основных протоколов и сценариев использования в виде, например, верификации подписанного исполняемого модуля и создания сертификатов, которые можно повторно применять во многих проектах. Такой подход привел к созданию платформы доверия (Trust Platform) компании Microchip, которая предос тавляет набор конфигураций, исходный код, аппаратные и программные средства,

электронные компоненты №04 2020

Микроконтроллеры и микропроцессоры

В тех случаях, когда системе требуется установить безопасную связь или подтвердить свою идентификационную информацию, применяется элемент безопасности, который отвечает на случайный вызов. Ответом на него является код, получаемый арифметическим путем из случайной части вызова и соответствующего закрытого ключа, хранящегося в этом элементе. Другими словами, случайный вызов получает подпись от закрытого ключа. Таким образом, элемент безопасности может доказать наличие соответствующей секретной информации, но у него нет необходимости раскрывать закрытый ключ. Элемент безопасности также защищает устройство от поддельного кода, которым может попытаться воспользоваться злоумышленник для взлома системы. Во избежание этого требуется защитный механизм в виде проверки кода, которую иногда называют защищенной загрузкой или верификацией при выполнении кода. В этом случае элементу безопасности отправляется сигнатура, полученная из помеченной области начальной загрузки, которая хранится в устройстве. Любые изменения кода должны получить подпись от производителя с использованием его закрытого ключа. С помощью процедур защищенной загрузки и проверки при выполнении кода система может поддерживать обновления по беспроводной связи, предоставляемые производителем. При этом исключается риск получить обновления с помощью атаки через посредника или схожей хакерской технологии. Ключ, применяемый для проверки сигнатуры кода, представляет собой конфиденциальные идентификационные данные, которые должны храниться в защищенной и неизменной области памяти. Если этот ключ изменится, система перестанет работать. Если изменится пара ключей, код можно будет подделать. В качес тве примера эффек тив ной защиты можно привести элемент безопасности ATECC608A компании Microchip. Допускается использованием этого элемента в любой микроконтроллерной системе с поддержкой стандартного интерфейса I2C или 1‑Wire. В этом устройстве энергонезависимая память комбинируется с несколькими криптоускорителями для реализации алгоритмов на эллиптических кривых. Данное устройство никогда не раскрывает секретные ключи в канале связи и оснащено рядом аппаратных функций для защиты от взлома, что практически исключает риск обнаружения конфиденциальной информации.

Микроконтроллеры и микропроцессоры

Рис. 2. Основные этапы разработки с помощью платформы доверия от компании Microchip

облегчающие исполнение широкого ряда сценариев использования в рабочем процессе, начиная с появления концепции и заканчивая аппаратной реализацией, включающей элемент безопасности, например ATECC608A. П латф ор м а до в ер и я пр е д лаг а ется в трех основных видах. Самым простым из них является платформа Trust&GO, которая обеспечивает постоянный набор функций. К ним относитс я предос тав ление дос т упа устройства к облачным сервисам AWS, Google Cloud, Microsoft Azure или к частным облакам. К еще одной конфигурации, которая поддерживается платформой Trust&GO, относится комплексное решение для безопасной аутентификации устройств, которые подключаются к беспроводной сети LoRaWAN. Платформа TrustFLEX предоставляет дополнительный уровень кастомизации с поддержкой широкого ряда операций, начиная с безопасной загрузки и заканчивая генерацией сертификатов. TrustCUSTOM, третья разновидность платформы, предоставляет

клиентам возможность регулировать параметры разработки и интеграции элементов безопасности в заданную модель безопасности. На рисунке 2 показаны основные этапы проектирования с помощью платформы доверия компании Microchip. В а ж н ы м п р е и м у щ е с т в о м п л а тформы доверия, благодаря которому упрощается безопасный дост уп по сравнению с другими решениями, является сервис регистрации к лючей для мелкосерийных приложений. У конк урентов компании Microchip минимальный размер заказа может составлять 100 тыс. элементов безопасности, что обусловлено расходами на установку исходных сертификатов и ключей, которые необходимо запрограммировать на оборудовании защищенной производс твенной линии. С п о м о щ ью п латф ор м ы Tr us t & G O клиенты имеют возможность сделать заказ на приобретение элементов безопасности объемом от 10 ед. При этом заказчики получают всестороннюю поддержку инфраструктуры Trust

Рис. 3. Процессы заказа и поставки платформы доверия Microchip

www.elcomdesign.ru

Platform, включая регистрацию ключей. При использовании платформы TrustFLEX минимальный объем заказа составляет 2000 ед. При этом обеспечивается регистрация, а пользователь получает больший контроль над сертификатами, ключами и приложениями с учетом того, что речь идет о безопасной поставке кастомизированных решений. Благод аря п латф ор м е довери я Microchip клиенты получают доступ к механизмам безопасности с высокой степенью кастомизации; при этом в процессе разработки и внедрения риски нарушения безопасности намного меньше, чем у других решений. Комбинация инструментов, исходного кода и инфраструктуры поставок позволяет разработчикам встраиваемых систем получить доступ к полностью защищенной зарегистрированной системе на всех этапах проектирования, что намного уменьшает его длительность. На рисунке 3 в схематичном виде показан пример заказа и поставки платформы доверия Microchip.

Хотите быстрее, проще и с меньшими рисками выполнить проект, начав с создания прототипа и закончив готовым изделием? Компания Microchip предлагает всестороннюю поддержку на каждом этапе проектирования с помощью развитой экосистемы разработчиков. •

Быстро создайте прототип, воспользовавшись интуитивно понятной средой проектирования и отладки

•

Начните разработку, задействовав исходный проект и специализированное оборудование

•

Уменьшите риск с помощью проверенных инструментов и профессионально испытанного ПО

Что бы ни потребовалось, мы окажем полноценную помощь на каждом этапе проектирования.

Разъемы питания DC фирмы Amass По материалам компании TME Существуют электронные компоненты, которые хорошо известны даже «непосвященным» потребителям, не говоря уже об инженерах-электронщиках или техниках. Поскольку эти элементы распространены повсеместно, мы перестали обращать на них внимание. Тем более, нам никогда не приходила в голову мысль узнать, кто является их производителем. Например, всем хорошо известны сильноточные разъемы (штекеры и гнезда) XT30, XT60 и XT90. Но кто сможет назвать их производителя?

Пассивные компоненты

Ассортимент компании Amass

Компания Amass выпускает самый широкий ряд сильноточных разъемов, а также их аксессуаров, назначенных для применения с аккумуляторами разных видов. Это связано с тем, что ее головной офис находится там, где сосредоточены многие производители литиево‑ионных и литиево‑полимерных аккумуляторов (Li-ion и Li-Po, соответственно). На протяжении 18 лет своего существования завод стал одним из ведущих производителей разъемов. Актуальный ассортимент охватывает свыше 300 видов разъемов, к которым относятся тестовые (измерительные, а также тестовые клипы), «банановые», монтируемые на панели, предназначенные для использования в автомобильном оборудовании и многие другие. Благодаря существенному росту приложений с использованием литиевых аккумуляторов особенно хорошим спросом пользуются разъемы типа XT компании Amass в разных вариантах исполнения, которые находят применение в многочисленных устройствах (в т. ч. в игрушках). Ее продукция экспортируется в 63 страны и применяется в изделиях компаний Qinghua, Ponovo, Fluke, Mac Tool и т. д. Эти разъемы получили повсеместное распространение.

Рис. 1. Разъем XT30

Аккумуляторные разъемы

В последние годы растет потребность в заряжаемых устройствах. Для их питания требуются аккумуляторы с разным напряжением, емкостями и токовой отдачей. При увеличении силы тока заметную роль начинает играть падение напряжения на контактах, в результате чего возрастают потери мощности. В результате разъем может перегреваться. Поскольку для разъемов этого вида огромное значение имеет также стойкость и стабильность соединения источника питания с нагрузкой, во многих случаях типичные разъемы постоянного тока не оправдывают себя и могут привести к повреждению аппаратуры. Примером такого применения являются мультикоптеры, предназначенные для видеои фотосъемки с высоты, а также для контроля с помощью датчиков. Предлагаемый фирмой Amass ассортимент разъемов очень широк и обеспечивает подбор соответствующего изделия для любого аккумуляторного банка. Что интересно, даже наименьшие разъемы типа XT30 (см. рис. 1) или (см. рис. 2) можно использовать в приложениях, работающих от постоянного тока силой 15 A, а серию AS – в приложениях с током до 90 A! Высокое качество применяемых материалов и стабильная технология производства обеспечивают создание конечного изделия, отвечающего самым строгим требованиям. Все разъемы кроме «банановых» являются поляризованными с обозначениями + и – на корпусе.

www.elcomdesign.ru

Рис. 2. Разъем MR30 Минимальные потери и оптимальная рабочая температура

Разъемы Amass разрабатываются с особой тщательностью. Производитель обращает внимание на соответствующий подбор материалов. Не только материалов, непосредственно про-

Рис. 3. Разъем XT60E-M

Рис. 4. Разъем XT30G-F

водящих ток, но и корпусов разъемов, чтобы в допустимом диапазоне воздействия температур во время пайки контакты не вытапливались из корпуса, не деформировались и не окислялись. Поверхности контактов покрыты слоем золота, благодаря чему сопротивление разъема XT30 составляет 0,70 мОм, а разъема XT90 – всего 0,30 мОм! Компания предлагает монтажные варианты разъемов. Это гнезда и штекеры, предназначенные для распайки на плате, монтажа на кабеле или на панели устройства (см., например, разъем XT60E-M на рисунке 3 и XT30G-F – на рисунке 4). Разъемы для литиевых аккумуляторов

Фирма Amass обращает особенное внимание на динамически развивающийся рынок аккумуляторов, которые должны обладать очень высоким качеством и отличными параметрами. Кроме того, растет спрос на аккумуляторы со специальным исполнением. Например, разъемы для аккумуляторного банка нередко должны иметь дополнительные контрольные контакты. Такие решения имеются в ассортименте Amass. В частности, к ним относятся разъемы ICX301 и XT90I (см. рис. 5–6). Заметим, что все контакты разъемов Amass позолочены. Единственным исключением является AS250. Дополнительную информацию о предложении разъемов Amass см. на www.tme.eu/pl/katalog/p, amass_1260. Пассивные компоненты

79 Рис. 5. Разъем ICX301

Рис. 6. Разъем XT90I

электронные компоненты №04 2020

Микросхема аналогоцифрового преобразователя 1259НВ014 (функциональный аналог 572ПВ1А) Леонид Авгуль, к.т.н., директор, НТЦ «ДЭЛС», Сергей Курносенко, к.т.н., заместитель директора по научной работе, НТЦ «ДЭЛС», Виктор Кряжев, главный конструктор, НТЦ «ДЭЛС», Юрий Юреня, ведущий конструктор, НТЦ «ДЭЛС», Петр Волончук, ведущий инженер, АО «РАТЕП», Роман Сидорюк, начальник отдела, АО «РАТЕП» В статье представлено техническое описание микросхемы аналогоцифрового преобразователя 1259НВ014. Микросхема является функциональным аналогом ИС572ПВ1 А. Отличительными особенностями 1259НВ014 являются диапазон рабочей температуры (–60…85°С), напряжение питания UCC1 = 5,0 В ± 5% и UCC2 = 15,0 В ± 5%. Микросхема, представляющая собой 12‑разрядный преобразователь, может использоваться в качестве: -- АЦП последовательного приближения с внешним компаратором (компаратором и операционным усилителем) и выдачей результата в параллельном коде; -- умножающего ЦАП с внешним операционным усилителем.

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

Таблица 1. Назначение выводов

Обозначение

Назначение

DIO

Входная/выходная шина данных

Последовательный вход

Вход управления

Вход управления режимом

CYCLEO

Выход «Цикл»

COMP

Вход сравнения

CLK

Вход тактовых импульсов

EOC

Выход «Конец преобразования»

START

Вход «Запуск»

CYCLEI

Вход «Цикл»

STROB

Вход стробирования ЦАП

R2RO

Конечный вывод матрицы R-2R

Вывод резистора 1

Вывод резистора 2

RCOM

Общий вывод резисторов 1, 2

Аналоговый вход 1

Типовые схемы включения микросхемы для указанных режимов приведены на рисунках 1–3. Микросхема обеспечивает побайтный ввод-вывод информации для согласования с 8‑разрядной шиной данных. Микросхема изготавливается по биполярной технологии и конструктивно выполнена в металлокерамическом корпусе типа 4134.48–5 с двухсторонним расположением выводов. Назначение выводов микросхемы приведено в таблице 1, а ее основные параметры – в таблице 2. Структурная схема представлена на рисунке 4. Схемы входной и выходной логики предназначены для двунаправленной передачи данных в параллельном коде. Сдвигающий регистр и регистр последовательного приближения обеспечивают реализацию последовательного ввода-вывода данных, а также алгоритма поразрядного взвешивания для Таблица 2. Основные параметры (Ta =

°С)

Наименование параметра, единица измерения

Обозначение параметра

не менее

не более

Выходное напряжение высокого уровня, В

UOH

2,4

–

Выходное напряжение низкого уровня, В, IOL = 0,4 мА

UOL

–

0,3

Ток потребления, мА, UCС1 = 5,0 B ± 5%

ICC1

–

1,0

Ток потребления, мА, UCС2 = 15,0 B ± 5%)

ICC2

–

1,5

Выходной ток смещения нуля, нА

IO0

–

100/200

Норма параметра

Аналоговый вход 2

ACOM

Общий вывод резисторов аналоговых входов 1, 2

Дифференциальная нелинейность, ед. МЗР

δLD

–1,0

1,0

AO1

Аналоговый выход 1

Нелинейность, ед. МЗР

δL

–0,75/–1,0

0,75/1,0

AO2

Аналоговый выход 2

VREF

Вход опорного напряжения

δFS

–10/–14

10/14

VСС1

Вывод питания от источника напряжения +5 В

Абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы, ед. МЗР

VСС2

Вывод питания от источника напряжения +15 В

fCLK max

200

–

DGND

Общий вывод цифровой

Тактовая частота (макс.), кГц

AGND

Общий вывод аналоговый

Температурный диапазон, °С

–60

125

www.elcomdesign.ru

Рис. 1. Типовая схема включения микросхемы в режиме АЦП с компаратором напряжения

Рис. 2. Типовая схема включения микросхемы в режиме АЦП с компаратором напряжения и операционным усилителем

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

Рис. 3. Типовая схема включения микросхемы в режиме ЦАП с операционным усилителем

Рис. 4. Структурная схема микросхемы

электронные компоненты №04 2020

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

Рис. 5. Характеристики преобразования микросхемы для выходов AO1 и AO2

Рис. 6. Нормированная погрешность преобразования для выхода AO1 (первые 800 точек преобразования)

режима АЦП. Регистр АЦП предназначен для хранения 12‑разрядных данных для ключей резистивной матрицы. Блок ЦАП включает в себя резистивную матрицу и ключи для коммутации токов. Особенностью ЦАП является то, что пять старших разрядов кода, хранящегося в регистре АЦП, преобразуются дешифратором термокода в 32‑разрядный унитарный код, что позволяет существенно улучшить дифференциальную и интегральную нелинейности резистивной матрицы, а также отказаться от необходимости подгонки резисторов на этапе измерений и тестирования микросхемы. При этом работа резистивной матрицы полностью эквивалентна работе классической R‑2R схемы. На рисунках 5–7 представлены основные результаты измерений для выходов AO1 и AO2.

Рис. 7. Нормированная погрешность преобразования для выхода AO2 (последние 800 точек преобразования)

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| Крохотный ПК для Windows 10 | Компания DFI, в прошлом известный производитель качественных материнских плат для ПК, а позднее перешедшая в отрасль промэлектроники, анонсировала одноплатный компьютер GHF51 на процессоре AMD Ryzen. Габариты ПК составили 84×55 мм; таким образом, по своим габаритам он примерно равен кредитной карте, размеры которой равны 86×54 мм, и даже чуть меньше изделий линейки Raspberry Pi. DFI GHF51 совместим с большинством современных дистрибутивов Linux, а также с 64‑бит версией ОС Windows 10 IoT Enterprise. О поддержке настольных версий Windows 10 компания DFI не сообщает. Стоимость GHF51 на момент публикации материала оставалась неизвестной. Производитель не уточнил, когда именно планирует начать массовое производство своего детища, но, по данным портала LinuxGizmos, поставки ожидаются в III кв. 2020 г. Небольшие размеры DFI GHF51 позволяют ему претендовать на звание самого компактного в мире ПК с процессором AMD. Однако это преимущество не позволяет установить на него полноценный слот SO-DIMM под оперативную память (габариты планки SO-DIMM DDR4–70×30 мм). Для работы компьютеру требуется внешний 12‑В блок питания. По умолчанию, DFI GHF51 может функционировать при 0–60°C, плюс у DFI готова более «закаленная» версия ПК, способная выдерживать мороз в 20° и жару в 70°. DFI GHF51 позволяет подключать до двух дисплеев с разрешением 2 К или 4 К. Кроме того, в нем предусмотрен модуль TPM 2.0 для предотвращения несанкционированного доступа к информации в памяти. GHF51 стал вторым компьютером в модельном ряду DFI с такими размерами платы. До него вышла модель ALF51 на процессорах Intel Atom, Celeron и Pentium. ALF51 предлагается в вариантах с кристаллами Intel Atom x5‑E3940 и E3930, Pentium N4200 и Celeron N3350 в комплекте с 2 или 4 Гбайт оперативной памяти LPDDR4–2400. В список опций ALF51 входит система охлаждения, пока не доступная для GHF51. www.russianelectronics.ru

www.elcomdesign.ru

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| НОВОСТИ КОМПАНИИ «ГАММА» |

Новый магнитный датчик угла поворота AEAT‑8800‑Q24 с разрешением 10–16 бит от Broadcom AEAT‑8800‑Q24 – магнитный датчик угла поворота от Broadcom, который обеспечивает точные угловые измерения при вращении на 360°. В состав устройства входит усовершенствованная система с датчиками Холла и узлами комплексной аналоговой и цифровой обработки сигнала. Необходимое магнитное поле создается простым двухполюсным магнитом, который вращается перпендикулярно центральной оси прибора. Датчик AEAT‑8800‑Q24 является универсальным устройством, которое предназначено для широкого ряда приложений благодаря надежной конструкции. Он способен измерять и определять не только абсолютное значение угла, но и его приращение. Измерения абсолютного угла позволяют установить мгновенное угловое положение магнита с программируемым разрешением в 10, 12, 14 или 16 бит. После выбора разрешения значение угла преобразуется в соответствующий цифровой код, выводимый с помощью стандартного 3‑проводного интерфейса SSI. При необходимости можно выбрать режим вывода абсолютного значения в виде кодированного сигнала широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Инкрементальное значение угла поворота представляется в виде ABI-сигнала с конфигурируемым числом отсчетов на оборот 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 2048, 4096 и коммутационного UVW-сигнала с 1–8 полюсными парами (2–16 полюсов). Встроенный стабилизатор напряжения обеспечивает работу датчика при напряжении питания 3,3 или 5 В. Применение: • 3‑фазные коммутаторы для бесколлекторных двигателей постоянного тока; • замена сельсинов и потенциометров; • промышленная автоматика и робототехника; • швейное и текстильное оборудование.

НОВОС ТИ ТЕХНОЛОГИЙ

ПЛИС GW1NZ-ZV с малым энергопотреблением от Gowin Semiconductor

Компания Gowin Semiconductor заявила о начале серийного производства ПЛИС GW1NZ-ZV, у которых потребление статической мощности меньше на 50%, чем у других ПЛИС на основе флэш-технологии, т. е. менее 28 мкВт. ПЛИС с малой потребляемой мощностью имеют явные преимущества над многими микроконтроллерами в постоянно включенных системах с непрерывным мониторингом функций ввода-вывода и периферийных устройств. Для мониторинга микроконтроллеры должны осуществлять постоянную синхронизацию всего процессора. Хотя скорость процессора можно уменьшать, чтобы сократить энергопотребление, расход активной мощности всегда велик. В то же время потребление динамической мощности ПЛИС зависит от количества используемых логических элементов, скорости передачи данных и синхронизации. Если статическое потребление ПЛИС мало, ее можно оптимизировать так, чтобы потребление динамической мощности для мониторинга систем ввода-вывода и интерфейса осуществлялось только небольшим множеством логических элементов в отсутствие активности других логических элементов. Серийно выпускаемые устройства GW1NZ-ZV на базе флэш-технологии на сегодняшний день являются изделиями с самым низким уровнем потребления. Напряжение ядра составляет 0,9 В, а статическое потребление не превышает 28 мкВт. Статическое энергопотребление ПЛИС GW1NZ-ZV в 2,4 раза меньше, чем у остальных сравнимых по характеристикам ПЛИС. Напряжение ядра менее 1 В позволяет существенно уменьшить динамическое потребление ПЛИС и сократить общий объема расходуемой устройством мощности. Мобильные и периферийные устройства, устройства для интернета вещей получают все преимущества от использования ПЛИС с такими характеристиками благодаря постоянному мониторингу данных и малому потреблению, пока остальная система находится в режиме ожидания. ПЛИС могут динамически регулировать дополнительные ресурсы или использоваться для активации других компонентов системы.

Компания Gowin Semiconductor добавила поддержку ОС Ubuntu для ПО EDA FPGA в приложениях искусственного интеллекта

Компания GOWIN Semiconductor заявила о старте поддержки своего программного обеспечения GOWIN EDA FPGA в операционной системе Ubuntu, благодаря чему появилась единая среда для разработок искусственного интеллекта (ИИ) и IoT-соединений. Обычно ПЛИС поддерживают только ОС Windows и Red Hat, но во многих случаях при разработке не хватало поддержки Linux для других дистрибутивов, например Ubuntu. К настоящему времени этот недостаток стал существенным, т. к. именно Ubuntu наиболее часто используется для разработки решений в области искусственного интеллекта. Для ПО, которое применяется для создания нейронных моделей,

www.elcomdesign.ru

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

ОС Ubuntu стала наиболее предпочтительным выбором благодаря открытому исходному коду, простоте и удобству в использовании. Таким образом, ПО GOWIN FPGA EDA с поддержкой Ubuntu позволяет интегрировать синтез ПЛИС, размещать, трассировать, генерировать цифровой поток в приложениях для ИИ и коде. В последние годы сообщество веб-разработчиков также использует Ubuntu для интернета вещей, приложений интернета на стороне клиента и сервера с целью поддержки подключенных периферийных устройств. ПО GOWIN EDA упрощает разработку и внедрение систем на основе ПЛИС параллельно с остальной системой.

SSD-накопители ATP I‑Temp NVMe с высокопроизводительным 8‑канальным интерфейсом PCIe Gen 3 x4, сквозной защитой данных и управлением питанием Компания ATP Electronics, ведущий производитель устройств промышленной памяти и хранения, объединила в твердотельных модулях M.2 2280 NVMe N600Si/N600Sc нового поколения высокопроизводительные накопители PCIe NVMe, надежную и износостойкую флэш-память 3D NAND, высокоемкую флэшпамять на TLC-ячейках, быстродействующие 8‑канальные контроллеры и технологию защиты данных от отказов системы питания (PLP) на базе дополнительного микроконтроллера. Основные характеристики: • доступная емкость: 120/240/480/960/1920 Гбайт; • последовательная скорость чтения/записи (макс.): 3420/3050 Мбайт/с; • рабочий ресурс: до 5120 Тбайт; • температурные диапазоны: I-Temp (N600Si) и C-Temp (N600Sc); • сквозная защита данных и поддержка RAID; • 8-канальный контроллер NAND-памяти.

Решения Lattice mVision получили премию Best in Show на выставке Embedded World

Основные компоненты стека решений mVision от Lattice: – платформы видеоинтерфейса (VIP) – модульные аппаратные макетные платы с поддержкой видео- и I/O‑интерфейсов; – IP-библиотека с широким рядом IP-ядер для использования в MIPI- и LVDS-датчиках изображений, конвейерах обработки сигналов изображений, общих стандартах связи; – средства разработки ПЛИС Lattice; – исходные проекты; – заказные сервисы.

Дополнительную информацию и опытные образцы можно получить в ООО «Гамма Плюс»

Выборг: +7 (81378) 546-53; Москва: +7 (495) 788-1292; Санкт-Петербург: +7 (812) 321-6160; Екатеринбург: +7 (343) 286-7512; Ульяновск: +7 (8422) 256-939; info@icgamma.ru, www.icgamma.ru

электронные компоненты №04 2020

НОВОС ТИ ТЕХНОЛОГИЙ

Компания Lattice Semiconductor заявила о том, что новые решения семейства mVision от Lattice для встраиваемых систем машинного зрения получили престижную премию Best in Show на выставке и конференции Embedded World’2020. Полный стек решений обеспечивает все необходимые аппаратные и программные модули, позволяя ускорить и упростить внедрение встраиваемых систем машинного зрения в промышленные устройства, автомобильные, компьютерные изделия, а также изделия бытового назначения. Решения Lattice mVision названы лучшими в категории «Инструменты и операционные системы для разработки» ведущей издательской компанией Open Systems Media.

Новинки месяца.

Редакционный обзор

Предлагаем читателям обзор новинок за прошедший месяц с момента выхода в свет журнала «Электронные компоненты» № 3, 2020 г. В новый обзор вошли наиболее интересные, с нашей точки зрения, изделия. Мы рассматриваем продукцию только компаний, широко представленных на российском рынке. При перечислении параметров указываются их типовые значения. АНАЛОГОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

STMicroelectronics. Усилитель класса D FDA901. Его структурная схема приведена на рисунке 1. Основные параметры усилителя: –– напряжение питания: 14,4 В; –– выходная мощность (макс.): 4×50 Вт; –– частота выборки входного сигнала: 44,1; 48; 96; 192 кГц; –– интерфейс: I2S; –– КПД: 93%; –– диапазон рабочей температуры перехода: –40…150°C; –– корпус: LQFP‑64. ДАТАКОМ

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

Qorvo. Видеоресивер QPB7434. Его структурная схема приведена на рисунке 2. Основные параметры QPB7434: –– диапазон напряжения питания: 4,5–5,5 В; –– оптический входной диапазон: 2…–20 дБм; –– усиление: более 25 дБ при 550 МГц; –– неравномерность амплитудно-частотной характеристики усиления: ±1,5 дБ; –– полоса частот: 447–1218 МГц; –– шум: 2,8 пА/√Гц; –– возвратные потери по входу на частоте 45 МГц: –17 дБ; –– возвратные потери по входу на частоте 600 МГц: –15 дБ;

Рис. 1. Структурная схема усилителя FDA901

www.elcomdesign.ru

Рис. 2. Структурная схема ресивера QPB7434

–– возвратные потери по входу на частоте 1218 МГц: –18 дБ; –– диапазон рабочей температуры: –40…85°C; –– корпус: QFN.

Рис. 4. Схема модуля FP25R12W1T7_B11 ДАТЧИКИ

Bourns. Датчики давления BPS340 (см. рис. 3). Его основные параметры:

Рис. 3. Датчики давления BPS340

Рис. 5. Область безопасной работы ключа IQE006NE2LM5

ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Infineon. 3‑фазный мостовой модуль IGBT-инвертора FP25R12W1T7_B11. Схема модуля приведена на рисунке 4. Основные параметры модуля: –– напряжение: 1200 В; –– длительный максимальный ток: 25 А; –– ток (пик.): 50 А; –– напряжение насыщения коллектор–эмиттер: 1,6–1,82 В в зависимости от температуры; –– заряд затвора: 395 нКл; –– входная емкость: 4,7 нФ; –– задержка на включение: 0,037–0,04 мкс в зависимости от температуры; –– время нарастания: 0,02–0,025 мкс в зависимости от температуры; –– з а держ к а на вык лючение: 0, 2– 0,38 мкс в зависимости от температуры; –– время спада: 0,18–0,35 мкс в зависимости от температуры;

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

–– диапазон напряжения питания: 1,5– 15 В; –– ток потребления при напряжении питания 5 В: не более 3 мА; –– диапазон измерения дав ления: 15–500 psi (1 psi = 7 кПа); –– выходной сигнал: 75, 150, 175 мВ в зависимости от пределов измерения давления; –– шкала 15 psi: 75±15 мВ; –– шкала 100 psi: 150±30 мВ; –– шкала 500 psi:175±35 мВ; –– нелинейность: ±0,2% полной шкалы; –– диапазон рабочей температуры: –40…85°C.

Рис. 6. Структурная схема устройства NX20P0477

электронные компоненты №04 2020

Рис. 8. Драйвер затвора 1SP0351V2D0C-T2000BB45G

–– –– –– –– –– ––

время нарастания: 52 нс; время выключения: 58 нс; время спада: 13 нс; потери при включении: 1551 мкДж; потери при выключении: 179 мкДж; диапазон рабочей температуры: –55…175°C; –– корпус: D2PAK‑7L.

Рис. 7. Область безопасной работы NTBG020N090SC1

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

–– энергия включения: 1,55–2,45 мДж; –– энергия выключения: 2,1–3,65 мДж; –– диапазон рабочей температуры: –55…175°C; –– корпус: PG-TSON‑8–4.

И еще одна новинка этой компании – N‑канальный MOSFET IQE006NE2LM5 семейства OptiMOS 5. Область безопасной работы ключа показана на рисунке 5. Основные параметры IQE006NE2LM5: –– н о р м и р у е м о е н а п р я ж е н и е сток–исток: 25 В; –– максимальный длительней ток при 25°C и напряжении затвор–исток 10 В: 298 А; –– максимальный длительней ток при 100°C и напряжении затвор–исток 10 В: 188 А; –– энергия лавинного пробоя одиночного импульса: 140 мДж; –– сопротивление открытого канала: 0,65 мОм; –– общий заряд затвора: 41 нКл; –– входная емкость: 4100 пФ; –– время включения: 5,3 нс; –– время нарастания: 2,6 нс; –– время выключения: 27 нс; –– время спада: 5,3 нс; –– диапазон рабочей температуры: –55…150°C; –– корпус: PG-TO247–4-3. ON Semiconductor. Интеллектуальная защита USB NX20P0477. Его структурная схема приведена на рисунке 6. Основные параметры NX20P0477: –– ток утечки: 14 мкА; –– перенапряжение: до 28 В; –– время срабатывания защиты по перенапряжению: 60 нс; –– выходной ток: ±350 мА; –– полоса частот: до 100 МГц; –– нагрузочная регулировочная характеристика: 0,2%;

www.elcomdesign.ru

–– диапазон рабочей температуры: –40…125°C; –– корпус: WDFN‑6 (2×2 мм). Эта компания представила еще одну новинку – N‑канальный SiC MOSFET NTBG020N090SC1. Область безопасной работы ключа показана на рисунке 7. Основные параметры NTBG020N090SC1: –– н о р м и р у е м о е н а п р я ж е н и е сток–исток: 900 В; –– максимальный длительней ток при 25°C и напряжении затвор-исток 10 В: 112 А; –– импульсный ток (пик.): 448 А; –– ток одиночного импульса (пик.): 854 А; –– энергия лавинного пробоя одиночного импульса: 1 мДж; –– сопротивление открытого канала: 28 мОм; –– общий заряд затвора: 200 нКл; –– входная емкость: 4415 пФ; –– время включения: 39 нс;

Рис. 9. Структурная схема драйвера затвора USS21329-1

Power Integrations. Драйвер затвора 1SP0351V2D0C-T2000BB45G (см. рис. 8) для управления 4500‑В IGBT с оптическим интерфейсом управляющих сигналов ввода/вывода. Основные параметры драйвера: –– выходной ток (макс.): ±50 А; –– нормируемое напряжение управляемых IGBT: 4500 В; –– ток управляемых IGBT (макс.): 2000 А; –– напряжение питания первичной стороны: 15 В; –– рабочая частота: 2 кГц; –– задержка включения: 110 нс; –– задержка выключения: 125 нс; –– напряжение управления затвором: 15/–9,4 В; –– тестовое напряжение изоляции первичная/вторичная сторона: 10,2 кВ (СКЗ). TI. Изолированный 2‑канальный драйвер затвора USS21329–1. Его структурная схема приведена на рисунке 9.

Рис. 10. Структурная схема драйвера затвора TLP5321

Toshiba. Изолированный драйвер затвора TLP5321 для управления IGBT и MOSFET. Его структурная схема приведена на рисунке 10. Основные параметры TLP5321:

–– выходной ток (пик.): ±2,5 А; –– задержка распространения: 300 нс; –– устойчивость к изменению синфазного напряжения: 25 кВ/мкс; –– электрическая прочность изоляции: 5 кВ; –– диапазон рабочей температуры: –40…110°C; –– размер: inSOP‑24C. ИСТОЧНИКИ, МОДУЛИ ПИТАНИЯ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Infineon. DC/DC-прео браз ователь IR3889 семейства OptiMOS IPOL. Схема включения преобразователя приведена на рисунке 11. Основные параметры IR3889: –– диапазон входного напряжения: 2–17 В; –– выходное напряжение: от 0,8 В; –– максимальный длительный ток: 30 А; –– диапазон рабочей частоты: 600–2000 кГц; –– время замкнутого состояния верхнего ключа (мин.): 23 нс; –– время разомкнутого состояния верхнего ключа (мин.): 270 нс;

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

Основные особенности USS21329–1: –– диапазон напряжения питания: 3–18 В; –– вытекающий ток (макс.): 4 А; –– втекающий ток (макс.): 6 А; –– время нарастания выходного сигнала: 6 нс; –– время спада выходного сигнала: 7 нс; –– искажение длительности импульса: не более 6 нс; –– минимальная длительности импульса: 20 нс; –– защита от всплесков напряжения: до 12,8 кВ; –– устойчивость к изменению синфазного напряжения: 100 кВ/мкс; –– электрическая прочность изоляции: 3,75 кВ; –– срок службы изоляционного барьера: свыше 40 лет; –– диапазон рабочей температуры: –40…125°C; –– корпус: SOIC‑14.

Рис. 11. Схема включения преобразователя IR3889

электронные компоненты №04 2020

Рис. 12. Схема включения контроллера SRK1001

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

–– сопротивление открытого канала ключа верхнего плеча: 2,4 мОм; –– сопротивление открытого канала ключа нижнего плеча: 0,8 мОм; –– диапазон рабочей температуры: –40…125°C; –– размер: 54,5×228×40 мм.

STMicroelectronics. Синхронный контроллер выпрямителя SRK1001 для обратноходового преобразователя. Схема включения контроллера приведена на рисунке 12. Основные параметры SRK1001: –– диапазон напряжения питания: 3,7–32 В; –– ток потребления 17 мА; –– ток собс твенного потребления: 600 мкА; –– напряжение сток–исток силового ключа: 185 В; –– рабочая частота: до 300 кГц; –– время вык лючения вну треннего диода: 330 нс; –– время включения внутреннего диода: 280 нс; –– диапазон рабочей температ уры перехода: –40…125°C; –– корпус: SO‑8. TI. Силовой модуль TPSM5360 4 (см. рис. 13). Как утверждают в компании, это самый миниатюрный в мире модуль 36 В/4 А: общая площадь всего решения составляет 85 мм2. Основные параметры модуля: –– диапазон входного напряжения: 3,8–36 В; –– диапазон выходного напряжения: 1–7 В; –– выходной ток (макс.): 4 А; –– выходная мощность: до 20 Вт;

www.elcomdesign.ru

Рис. 13. Силовой модуль TPSM53604

Рис. 14. DC/DC-преобразователи семейства RS12-Z

Рис. 15. AC/DC-преобразователи серии VCE20

–– КПД: 95%; –– диапазон рабочей температ уры перехода: –40…105°C; –– площадь, занимаемая на плате: 85 мм2; –– размер: 5×5,5×4 мм.

Recom. Изолированные DC/DC-преобраз о в а т е л и с е м е й с т в а R S12 ‑ Z (см. рис. 14). Их основные параметры: –– диапазоны входного напряжения: 9–36 или 18–75 В в зависимости от модификации; –– диапазоны выходного напряжения: 3,3–24 В в зависимости от модификации; –– подстройка выходного напряжения в пределах: ±10%; –– выходной ток (макс.): 500–2400 мА; –– КПД: 85–89%; –– электрическая прочность изоляции: 3 кВ; –– диапазон рабочей температуры: –40…105°C; –– корпус: SIP‑8. XP Power. AC/DC-преобразователи серии VCE20 (см. рис. 15). Их основные параметры: –– диапазон входного напряжения: 85–305 В; –– диапазон выходного напряжения: 3,3–48 В в зависимости от модификации; –– диапазон выходного тока (макс.): 0,42–4,55 А в зависимости от модификации; –– выходная мощность: 15 и 20 Вт; –– линейная регулировочная характеристика: 1%; –– нагрузочная регулировочная характеристика: 1%; –– КПД: 85%; –– наработка на отказ: 600 тыс. ч; –– гарантия: 3 года; –– диапазон рабочей температуры: –25…75°C; –– размер: 25,4×66,0×23,4 мм.

Vishay. Сильноточные высокотемпературные дроссели IHDM‑1008DC‑3A (см. рис. 16) с возможностью работы при температуре до 180°C без ускоренного старения. Основные параметры дросселя:

Рис. 16. Дроссели IHDM-1008DC-3A

Рис. 17. Зависимость индуктивности и температуры нагрева дросселей серии SRP4018FA

–– индуктивность (ном.): 1,2–4,7 мкГн; –– отклонение от номинальной индуктивности: ±20%; –– диапазон рабочего тока из учета нагрева (макс.): 45–80 А; –– диапазон рабочего тока из учета насыщения (макс.): 50–110 А; –– DCR: 0,25–0,86 Ом; –– собственная резонансная частота: 15–90 МГц; –– диапазон рабочей температ уры перехода: –40…180°C; –– размер: 3,2×13,8…1,8×15,2 мм.

Рис. 18. Зависимость индуктивности дросселя SER2211 от тока

–– собственная резонансная частота: 53–92 МГц; –– диапазон рабочей температуры: –40…85°C; –– размер: 4,1×4,1×1,8 мм. Coilcraft. Серия силовых экранированных дросселей SER2211. Зависимость

индуктивности дросселя от тока приведена на рисунке 18. Основные параметры SER2211: –– индук тивнос ть дросселя (ном.): 3–47 мкГн; –– отклонение индуктивности от номинального значения: ±20%; –– DCR: 1,05–8,95 мОм;

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Bourns. Экранированные дроссели серии SRP4018FA. Зависимость индуктивности и температуры нагрева приведена на рисунке 17. Основные параметры SRP4018FA: –– индуктивность дросселя (ном.): 0,33– 1,2 мкГн; –– отклонение индуктивности от номинального значения: ±20%; –– DCR: 4,7–12,2 мОм; –– ток насыщения из условия уменьшения индуктивности на 20%: 5,0–11,5 А; –– ток, при котором происходит нагрев дросселя на 40°C: 9,5–15 А;

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

Würth Elektronik. DC/DC-преобраз о в а т е л и 173 010335 и 173 010535 семейства MagI3C. Их основные параметры: –– диапазон входного напряжения: 6–36 В; –– выходное напряжение: 3,3 или 5 В; –– точность поддержания выходного напряжения: не хуже ±4%; –– выходной ток (макс.): 1 А; –– пульсация выходного напряжения (пик–пик): 13,5–17,5 мВ; –– линейная регулировочная характеристика: ±0,2%; –– нагрузочная регулировочная характеристика: ±0,4%; –– рабочая частота (фикс.): 520 кГц; –– температура корпуса (макс.): 100°C; –– корпус: SIP‑3

Рис. 19. Зависимость индуктивности и температуры перегрева от тока дросселей CDB87D48

электронные компоненты №04 2020

–– ток насыщения из условия уменьшения индуктивности на 20%: 5,2–26 А; –– ток из условия перегрева на 40°C (макс.): 65 А; –– ток, при котором происходит нагрев дросселя на 40°C: 10,6–35 А; –– собственная резонансная частота: 8–29 МГц; –– диапазон рабочей температуры: –40…85°C; –– размер: 19,2×22,5×10,5 мм. Panasonic: Металлизированные полипропиленовые пленочные конденсаторы семейства EZPV. Основные параметры: –– нормируемое напряжение: 600, 800, 1000 В; –– емкость (ном.): 3–110 мкФ; –– отклонение емкости от номинального значения: ±10%; –– эквивалентное последовательное сопротивление (ESR): 3,6–30,8 мОм; –– допустимая скорость изменения напряжения dV/dt: 15–50 В/мкс; –– допустимый длительный ток: 8,2– 29,3 А (СКЗ); –– пиковый ток (макс.): 150–2125 А; –– диапазон рабочей температуры: –40…105°C.

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

Sumida. Силовые дроссели SMD семейства CDB87D48. Зависимость индуктивности и температуры перегрева при разных температурах окружающей среды приведена на рисунке 19. Основные параметры CDB87D48:

Рис. 20. Зависимости индуктивности дросселя и его перегрева от тока

–– индуктивность дросселя (ном.): 0,1– 0,23 мкГн; –– отклонение индуктивности от номинального значения: ±20%; –– ток насыщения из условия уменьшения индуктивности на 20%: 32–78 А; –– ток из условия перегрева на 40°C (макс.): 65 А; –– ток, при котором происходит нагрев дросселя на 40°C: 0,46–3,6 А; –– диапазон рабочей температуры: –40…125°C; –– размер: 12,0×9,0×5,2 мм. Vishay. Экранированные дроссели семейства IHLE. Ослабление величины поля составляет 20 дБ на расстоянии 1 см от дросселя. Пример зависи -

м о с т и ин д у к т ивно с т и д р о ссе л я и его перегрева от тока приведен на рис унке 20. Основные параметры дросселей IHLE: –– индуктивность дросселя (ном.): 0,33– 100 мкГн; –– отклонение индуктивности от номинального значения: ±20%; –– DCR: 0,83–175 мОм; –– ток насыщения из условия уменьшения индуктивности на 20%: 4,3–44 А; –– ток из условия перегрева на 40°С (макс.): 3,1–62 А; –– собственная резонансная частота: 2,8–79,9 МГц; –– диапазон рабочей температуры: –55…105°С; –– размер: 13,97×13,59×6,55 мм.

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| Нейросети для военного искусственного интеллекта | Минобороны России готовится потратить несколько сотен миллионов рублей на создание и обучение нейросетей для нового поколения военных систем с искусственным интеллектом (ИИ). Подрядчик будет выбран по результатам закрытого конкурса. Победитель конкурса должен будет выполнить научно-исследовательскую работу «Исследования по созданию экспериментального образца комплекса разработки, обучения и реализации глубоких нейронных сетей для нового поколения военных систем с искусственным интеллектом (шифр «Каштан»)». Согласно извещению Минобороны о проведении конкурса, каждый из его участников должен соответствовать единым требованиям, предусмотренным п. 1 ч. 1 ст. 31 федерального закона № 44‑ФЗ «О контрактной системе в сфере закупок товаров, работ, услуг для обеспечения государственных и муниципальных нужд» от 5 апреля 2013 г. К ним относятся, в первую очередь, наличие действующей лицензии на проведение работ, связанных с использованием сведений, которые составляют гостайну со степенью секретности разрешенных к использованию сведений не ниже «секретно», выданной уполномоченным органом. www.russianelectronics.ru

www.elcomdesign.ru

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ НА РОССИЙСКОМ РЫНКЕ Д И С К Р Е Т Н Ы Е С И Л О В Ы Е КО М П О Н Е Н Т Ы

Microchip расширяет семейство SiC-модулей силовой электроники

Г Е Н Е РАТО Р Ы , ТА Й М Е Р Ы И С И Н Т Е ЗАТО Р Ы С И Г Н А Л О В

Миниатюрный высокочастотный прецизионный малошумящий кварцевый генератор ГК317‑ТС АО «МОРИОН» (С.-Петербург) – ведущее предприятие России и один из мировых лидеров в области разработки и серийного производства кварцевых приборов стабилизации и селекции частоты – представляет малогабаритный высокочастотный прецизионный малошумящий кварцевый генератор ГК317‑ТС. Последние достижения в схемотехнике кварце-

Типовой уровень фазовых шумов, 100 МГц, при отстройке: 10 Гц

–102 дБ/Гц

100 Гц

–137 дБ/Гц

1 кГц

–165 дБ/Гц

10 кГц

–180 дБ/Гц

100 кГц

–185 дБ/Гц

Очень низкий уровень шумов во всем диапазоне отстроек в сочетании с малыми габаритами делает этот генератор идеальным решением для таких применений как синтезаторы частоты, радиолокационное оборудование, системы спутниковой связи и т. д. У генератора – стандартная частота 100 МГц. Показатели температурной стабильности частоты достигают 5×10–8 в широком интервале рабочей температуры, а долговременная нестабильность частоты сохраняется на уровне до 1×10–7/год. Габаритный размер генератора: 25,0×25,0×10,3 мм. АО «МОРИОН» www.morion.com.ru Дополнительная информация: см. МОРИОН И З М Е Р И Т Е Л Ь Н Ы Е П Р И БО Р Ы И С И С Т Е М Ы

Keysight заявляет о запуске нового анализатора сигналов

Новые компоненты

Компания Microchip Technology анонсирует пополнение своего ассортимента силовыми SiC-модулями, у которых более высокий КПД, меньше вес и размеры. Новое семейство Microchip состоит из силовых SiC-модулей на основе диодов Шоттки (SBD) общего назначения, рассчитанных на напряжение 700, 1200 и 1700 В. В это семейство входят модули, построенные на топологиях Dual Diode, Full Bridge, Phase Leg, Dual Common Cathode, 3‑Phase Bridge и рассчитанные на использование разных токов и корпусов. Карбидокремниевые SBD-модули упростят проектирование за счет интеграции в единый блок множества кристаллов SiC-диодов, допускающей возможность комбинировать материалы подложки и основной платы, что в наибольшей мере повысит эффективность коммутации, уменьшит рост температуры и размеры системы. В универсальных 700-, 1200‑ и 1700‑В SiC SBD-модулях применяются карбидокремниевые кристаллы Microchip самого последнего поколения, что позволяет в наибольшей мере повысить надежность системы, обеспечить устойчивую и продолжительную эксплуатацию приложений. Высокая устойчивость изделий к лавинному пробою уменьшает необходимость в снабберных цепях, а стабильность функционирования внутреннего диода позволяет избежать долговременной деградации. Microchip Technology www.microchip.com Дополнительная информация: см. Гамма Инжиниринг ООО

вых генераторов и постоянные конструктивно-технологические улучшения в производстве прецизионных резонаторов обеспечивают уникальный уровень фазовых шумов (см. табл.).

93 Новая модель анализатора сигналов Keysight N9021B MXA серии Х предназначена для разработчиков и инженеров на производстве. Новый анализатор отличается низким уровнем фазовых шумов на высоких частотах и оснащен программным обеспечением для оптимизации рабочих процессов согласно требованиям стандартов 3GPP для сетей 5G New Radio (NR). Анализатор использует усовершенствованный алгоритм перестройки частоты, позволяющий сократить время испытаний без ущерба для эффективности. Прибор осуществляет анализ сигналов в радиочастотном (РЧ) и миллиметровом диапазонах в процессе проектирования и производства высокочастотных (ВЧ) устройств для беспроводной связи нового поколения, обеспечивая: -- ускорение циклов верификации и производства беспроводного и спутникового оборудования благодаря максимально широкой полосе анализа среди приборов

электронные компоненты №04 2020

Новые компоненты

данного класса, а также исключительно низкому уровню фазовых шумов на высоких частотах; -- упрощение измерения сигналов благодаря использованию анализатора спектра в режиме реального времени (RTSA) и программного обеспечения PathWave 89600 VSA компании Keysight; -- повышение качества измерений и воспроизводимости результатов благодаря использованию измерительных приложений PathWave для анализаторов серии Х, широко признанных в отрасли; -- максимальную гибкость испытательных ресурсов благодаря целому ряду приложений PathWave для анализаторов серии Х с лицензиями разных типов, позволяющими совместно использовать эти приложения в анализаторах сигналов серии Х и в приборах формата PXIe. Ключевые характеристики нового анализатора сигналов N9021B MXA серии Х: -- диапазон частот: 10 Гц…50 ГГц в соответствии с техническими требованиями для диапазонов FR1 и FR2 сетей 5G NR; -- обнаружение сигналов с использованием расширенной полосы анализа (до 510 МГц) и динамического диапазона свободного от паразитных составляющих (более 72 дБ); -- наилучшие в данном классе показатели однополосных фазовых шумов в РЧ-диапазоне –129 дБн/Гц (несущая частота 1 ГГц, отстройка 10 кГц), позволяющие повысить качество измерений модуля вектора ошибки (EVM) (EVM 5G NR – менее 1%); -- полный анализ спектра в режиме реального времени (Real-Time Spectrum Analysis, RTSA) для обнаружения трудноуловимых или кратковременных сигналов; -- высокая скорость и точность измерения сигналов и спектра, позволяющие увеличить пропускную способность и производительность, а также снизить расходы при изготовлении устройств 5G. Keysight Technologies www.keysight.ru Дополнительная информация: см. Keysight Technologies И С ТОЧ Н И К И И М ОДУЛ И П И ТА Н И Я

Неизолированные DC/DC-преобразователи MYMGC от Murata

-- выходной ток вспомогательного канала (макс.): 2 А; -- пульсация выходного напряжения в полосе 20 МГц (пик–пик): 120 мВ; -- электрическая прочность изоляции вход–выход: 1000 В; -- КПД при нагрузке 50%: 93%; -- диапазон рабочей температуры: –5…50°C; -- размер: 54,5×228×40 мм. Murata www.murata.com Дополнительная информация: см. Симметрон Семейство источников питания CUS600M от TDK-Lambda

Компания TDK-Lambda анонсировала семейство источников питания CUS600M. Их основные параметры: -- диапазон выходного напряжения: 85–265 В АС; -- коэффициент мощности: 0,99/0,95; -- диапазон выходного напряжения: 12–48 В в зависимости от модификации; -- выходная мощность с принудительной вентиляцией: 600 Вт; -- выходная мощность без вентиляции: 400 Вт; -- диапазон выходного тока с принудительной вентиляцией (макс.): 12,6–50 А; -- диапазон выходного тока без принудительной вентиляции (макс.): 8,4–33,4 А; -- линейная регулировочная характеристика: 0,5%; -- нагрузочная регулировочная характеристика: 1%; -- КПД: до 99%; -- категория безопасности: 2×МОРР; -- диапазон рабочей температуры: –20…70°C; -- размер: 76,2×127×37,1 мм. TDK-Lambda www.emea.lambda.tdk.com/ru Дополнительная информация: см. Симметрон, группа компаний М И К Р О КО Н Т Р ОЛ Л Е Р Ы

Компания Murata анонсировала DC/DC-преобразователи MYMG. Их основные параметры: -- диапазон входного напряжения: 44–72 В; -- выходное напряжение: 12 В; -- выходная мощность: 650 Вт; -- выходной ток основного канала (макс.): 54,2 А;

www.elcomdesign.ru

Microchip предлагает широкий ряд IoT-решений Компания Microchip Technology анонсирует независимые от облака полностековые встраиваемые решения для разработки «под ключ». Широкий ассортимент микроконтроллеров компании, начиная с PIC и AVR наименьшего размера для датчиков, исполнительных механизмов и заканчивая самыми современными 32‑бит микроконтроллерными и микропроцессорными шлюзовыми решениями для граничных вычислений, позволяет подключаться к любому главному ядру и облаку с помощью технологий Wi-Fi, Bluetooth или узкополосной 5G-связи. При этом все решения обеспечены мощными сред-

Новое семейство МК PIC переносит выполнение программных задач на оборудование Семейство микроконтроллеров PIC18‑Q43 следующего поколения от компании Microchip Technology позволяет быстрее выпускать на рынок изделия с более совершенными характеристиками. Независимая от ядра периферия (CIP) представляет собой совокупность периферийных устройств с дополнительными функциями, которые решают многие задачи без центрального процессора (ЦП). Семейство микроконтроллеров, оснащенное такой независимой от ядра периферией как таймеры,

ШИМ-модули, конфигурируемые логические ячейки (CLC), АЦП с поствычислителями (ADCC), последовательные интерфейсы и т. д., облегчает разработку заказных решений. Конфигурируемые логические ячейки позволяют обойти ограничения по скорости исполнения программного обеспечения, беря на себя решение таких задач как генерация сигналов, измерение временных соотношений и т. д. Простые в эксплуатации универсальные функциональные блоки с независимыми от ядра коммуникационными интерфейсами, в т. ч. UART, SPI и I2C, позволяют реализовать заказное устройство, а несколько каналов DMA и управление прерываниями ускоряет процесс управления в реальном времени за счет более простых программных циклов. С помощью этих ячеек можно очень легко подключить встроенные периферийные устройства с учетом требований заказного оборудования. С помощью комплексного набора средств проектирования Microchip быстро и легко генерируется прикладной код, а также создаются требуемые комбинации независимых от ядра периферийных устройств в среде графического интерфейса пользователя (GUI). Благодаря тому, что рабочее напряжение семейства МК достигает 5 В, повышается помехоустойчивость, и обеспечивается взаимодействие с широким рядом датчиков. Microchip Technology www.microchip.com Дополнительная информация: см. Гамма Инжиниринг ООО Microchip упрощает требования к функциональной безопасности с помощью средств MPLAB с сертификатами TÜV SÜD Функциональные компиляторы MPLAB XC, сертифицированные организацией TÜV SÜD, облегчают верификацию и валидацию в соответствии с требованиями стандарта ISO 26262 по обеспечению безопасной эксплуатации автотранспорта, стандарта IEC 61508 для промышленных приложений, IEC 62304 для ПО медицинского оборудования и IEC60730 для электрического регулирования. Сертифицированные компиляторы MPLAB XC будут поставляться с дополнительной документацией для проверки соответствия требованиям интегрированной среды разработки MPLAB X, отладчиков и программаторов MPLAB. Лицензии выдаются без возобновительных пошлин по наименьшей цене на рынке. Код можно проверять с помощью запатентованного процесса – за один проход, не прерывая выполнение кода в блоках. В результате экономится время, и исключается необходимость в анализе с помощью больших файлов данных. Поскольку сертифицированным приложениям часто требуются данные о тестировании кода, новая лицензия на использование средства покрытия кода в еще большей мере облегчает процесс сертификации. Комбинация устройств, разработанных с учетом требований к функциональной безопасности, с компиляторами MPLAB XC, сертифицированными организацией TÜV SÜD,

электронные компоненты №04 2020

Новые компоненты

ствами безопасности благодаря платформе Trust Platform для семейства CryptoAuthentication. В этот ассортимент предложений Microchip вошли шесть дополнительных IoT-решений. Благодаря легкому доступу к основным функциям, среде разработки, функциям отладки, простому подключению и обеспечению безопасности все эти решения позволяют сократить издержки проектирования и его сложность. –– Платы PIC–IoT WA и AVR-IoT WA. Две новые макетные платы МК PIC и AVR с изготовленным на заказ средством быстрого прототипирования, которое было разработано в сотрудничестве с компанией Amazon Web Services (AWS). Этот инструмент позволяет по умолчанию подключать датчиковые IoT-узлы с помощью Wi-Fi к облачному сервису AWS IoT Core. –– Р е ш е н и я д л я ш л ю з о в A W S I oT G r e e n g r a s s . В ATSAMA5D27‑WLSOM1 на основе новейшей беспроводной системы-на-модуле (SOM) интегрированы микропроцессор SAMA5D2 и комбинированный Wi-Fi/Bluetooth-модуль WILC3000, управление питанием которых осуществляется высокоэффективной ИС MCP16502 (PMIC). –– SAM–IoT WG соединяет сервис Google Cloud IoT Core с 32‑бит микроконтроллерами популярной серии SAMD21 Arm Cortex M0+ от Microchip. –– Платформа на основе МК Azure IoT SAM для проектирования приложений интернета вещей интегрирует пакет разработки программ для IoT-устройств Azure и сервисы Azure IoT в экосистему средств проектирования MPLAB X компании Microchip. –– Платы PIC-BLE и AVR-BLE. Две новые микроконтроллерные платы PIC и AVR для датчиковых IoT-узлов подключаются к мобильным устройствам в промышленных, потребительских системах, системах безопасности и к облаку с помощью шлюзов с поддержкой BLE (Bluetooth Low Energy). –– Отладочный комплект LTE-M/NB-IoT с модулями Monarch на основе кристаллов компании Sequans для IoT-узлов использует самую новую технологию сотовой связи 5G с малым энергопотреблением. Microchip Technology www.microchip.com Дополнительная информация: см. Гамма Инжиниринг ООО

Новые компоненты

а также тестирование на покрытие кода MPLAB упрощает сертификацию автотранспортных, потребительских, авиакосмических, медицинских и промышленных приложений на функциональную безопасность. Компания Microchip предлагает не только средства разработки, но и широкий ряд микроконтроллеров PIC, AVR, dsPIC и SAM, обеспечивающих функциональную безопасность. Microchip Technology www.microchip.com Дополнительная информация: см. Гамма Инжиниринг ООО

воздействий и фальсификации. В результате клиенты получают возможность не только сэкономить несколько месяцев разработки, но и значительно сократить накладные расходы, отказавшись от услуг регистрации, которые предоставляются сторонними компаниями или сертифицирующими органами. Microchip Technology www.microchip.com Дополнительная информация: см. Гамма Инжиниринг ООО

Защита от руткитов и буткитов в системах, загружающихся из внешней флэш-памяти с SPI-интерфейсом

Трансформатор SM91509AL от Bourns

Microchip Technology анонсирует новый криптографический микроконтроллер CEC1712 со специализированным встроенным ПО Soteria-G2, которые совместно обеспечивают защиту от руткитов и буткитов систем, загружающихся из внешней флэш-памяти с интерфейсом SPI. Специализированное встроенное ПО Soteria-G2 компании Microchip, работающее на полнофункциональном МК CEC1712 на базе ядра Arm Cortex-M4, предоставляет безопасную загрузку с аппаратной защитой корня доверия в режиме предварительной загрузки для тех операционных систем (ОС), которые загружаются из внешней флэш-памяти с SPI-интерфейсом. Кроме того, МК CEC1712 обеспечивает защиту от отмены действия ключа и от возврата к прежнему коду в течение всего срока службы, благодаря чему безопасные обновления устанавливаются на месте эксплуатации. В соответствии с требованиями NIST 800–193, микроконтроллеры CEC1712 защищают, обнаруживают и исключают повреждения, обеспечивая отказоустойчивость встроенного ПО на системной платформе. Безопасная загрузка с использованием аппаратного корня доверия защищает систему от вредоносного кода, т. к. осуществляется только с помощью доверенного ПО от производителя, прежде чем вредоносный код сможет проникнуть в ОС. Встроенное ПО Soteria-G2, предназначенное для совместного использования с МК CEC1712, ускоряет реализацию безопасной загрузки, упрощая разработку кода и снижая риски. Эта микропрограмма использует постоянный безопасный загрузчик МК CEC1712, реализованный в ПЗУ в качестве системного корня доверия. Безопасный загрузчик CEC1712 загружает из внешней флэшпамяти с SPI-интерфейсом, дешифрует и аутентифицирует встроенное ПО для работы на микроконтроллере CEC1712. Далее подтвержденный код CEC1712 аутентифицирует эту микропрограмму для первого прикладного процессора. В случае двух прикладных процессоров каждый из них поддерживается двумя компонентами флэш-памяти. Компании Microchip или Arrow Electronics осуществляют предварительную регистрацию специфичных для клиента данных. Это безопасное решение от производителя позволяет избежать вредоносных

www.elcomdesign.ru

П АСС И В Н Ы Е КО М П О Н Е Н Т Ы

Компания Bourns анонсировала трансформаторы SM91509AL. Их основные параметры: -- главная индуктивность: не менее 600 мкГн; -- индуктивность рассеяния: не более 0,5 мкГн; -- соотношение витков: 1:1; -- сопротивление обмоток: 1,2 Ом; -- вносимые потери на частоте 4 МГц: –0,25 дБ; -- возвратные потери на частоте 4 МГц: –22 дБ; -- электрическая прочность изоляции (СКЗ): 3100 В; -- проникновение из канала в канал в полосе 1–10 МГц: –50 дБ; -- ос лабление синфазной сос тав ляющей в полосе 1–200 МГц: –30 дБ; -- диапазон рабочей температуры: –40…125°C; -- размер: 14,81×11,68×3,0 мм. Bourns www.bourns.com Дополнительная информация: см. Симметрон, группа компаний

Keysight Technologies

115054, Москва, Космодамианская наб., 52, стр. 3 тел.: +7 (495) 797–39–28 tmo_russia@keysight.com www.keysight.ru

«Гамма Инжиниринг», ООО

197101, Санкт-Петербург, Певческий пер., д. 12 тел.: +7 (812) 493–51–15 sale@gamma.spb.ru www.gamma.spb.ru

«МОРИОН» АО

тел. (812) 350–75–72, (812) 350–92–43 факс: (812) 332–50–25, (812) 350–15–59 www.morion.com.ru sale@morion.com.ru

«Симметрон», группа компаний

125445, Москва, Ленинградское ш., д. 69, корп. 1 бизнес-парк River City (м. Речной вокзал) тел./факс: (495) 961–20–20 www.symmetron.ru moscow@symmetron.ru

содержание ПЭ

№1/2020 РЫНОК 98 Виталина Клесова Российское производство электроники качественнее и доступнее, чем в Китае: миф или реальность?

МОНТАЖ КОМПОНЕНТОВ 110 Тим О’Нил Как минимизировать образование пустот вдвое

КОНТРОЛЬ И ТЕСТИРОВАНИЕ

ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ

112 Александр Петлицкий, Дмитрий Жигулин, Владимир Ланин Экспресс-контроль элементов интегральных микросхем с использованием растровой электронной микроскопии и режима наведенного тока

104 Нитин Бхагват Проектирование печатных плат с DDR: настройки моделирования и анализ результатов

118 Андрей Смирнов, Константин Басалаев, Юрий Занин Практический опыт создания испытательных систем тестирования устойчивости к излучаемым помехам

contents # 1 / 2 0 2 0 MARKET 98 Vitalina Klesova Russian Electronics Manufacturing is better and more Affordable than in China: Is it Myth or Reality?

PCB 104 Nitin Bhagwath Designing PCBs with DDR: Modeling Settings and Analysis of Results

COMPONENT PLACEMENT 110 Tim O’Neill How to Minimize Void Formation by Half

TESTING 112 Alexander Petlitsky, Dmitry Zhigulin and Vladimir Lanin Express Control of IC Elements with Scanning Electron Microscopy and Induced Current Mode 118 Andrey Smirnov, Konstantin Basalaev and Yury Zanin Practical Experience in Development of Test Systems for Testing Resistance to Radiated Interference

Производство электроники №1 2020

содержание

E L E C T R O N I C S M A N U FAC T U R I N G #1 2020

Российское производство электроники качественнее и доступнее, чем в Китае: миф или реальность? Виталина Клесова

РЫНОК

Среди представителей ряда российских компаний, занимающихся разработками в области радиоэлектроники, бытует стереотип, что проще и дешевле производить готовую продукцию в Китае. Что в России нет конкурентоспособных производств с современным оборудованием, а если и есть, то цены там гораздо выше. Но так ли это на самом деле?

Действительно, в Китае производ ятс я комплек т ующие д ля радио электронных изделий (поскольку здесь добывают основной мировой запас редкоземельных элементов), разные заводы расположены поблизости, что упрощает логистику между ними, но… В последние годы мы видим, что ситуация на рынке меняется. Многие российские предприниматели, которым доводилось заказывать у китайских партнеров изготовление электронной продукции, отмечают, что качественный «Китай» в последнее время ощутимо дорожает. Существуют языковой и культурный барьеры: если у вас сложное электронное устройство, нужно очень постараться, чтобы объяснить китайским партнерам, какого конкретно результата вы от них ждете. Причиной понервничать для заказчика также становится географическая удаленность иностранных заводов. Добавим к этому ежегодно растущие расходы за логистику и недавние события в мировой экономике, которые привели к снижению стоимости рубля… Так где же она, выгода? Тем временем в последние годы на российском рынке ра диоэлектронных изделий наблюдается масса положительных тенденций, главная из которых – внедрение новых инструментов автоматизации, повышающих скорость производственных процессов, уровень качества изделий и снижающих их конечную стоимость. Добавим, в соответс твии с Пос тановлением Правительства РФ от 10.07.2019 № 878, государством взят вектор на использование именно российской радиоэлектронной продукции. Есть о чем задуматься, правда? Уже сегодня в нашей стране есть цифровые предприятия, которые вполне способны в перспективе составить кон-

www.elcomdesign.ru

куренцию Китаю по уровню качества, скорости изготовления и доступной стоимости радиоэлектронных изделий. И в нашей статье мы бы хотели показать один из таких ярких примеров – научно-производственное объединение

СтарЛайн, цифровизация производства которого превышает 90%. За последние годы компания существенно нарастила мощности в направлении контрактного производства радиоэлектронных изделий, гарантируя при этом 100% контроль

качества, быстрые сроки изготовления и доступную стоимость крупных партий электронных изделий. Готовое изделие «под ключ», или «бонусы» комплексного производства

РЫНОК

НПО СтарЛайн с 1988 года разрабатывает и производит автомобильное охранно-телематическое оборудование. Уникальные и сложные инженерные решения, которые в нем реализуются, должны надежно защищать транспорт от угона. А это значит, такое оборудование должно быть высокого качества. В связи с этим, с 2014 года компания запустила собственное производство радиоэлек тронных изделий, затем открылось производс тво изделий из пластмасс, а потом и кабельной продукции. Все эти производства в первую очередь должны были решать именно задачи радиоэлектронной отрасли, поэтому, и пластики здесь изготавливают по собственной рецептуре. Например, с ESD-свойствами. Производство осуществляется на автоматизированных и роботизированных линиях ведущих промышленных брендов США, Австрии, Германии, Японии и других с тран. Аналогов ряду моделей такого оборудования сегодня нет в России. Производство расположено в Ленинградской области. Его площадь составляет 75000 м². Большинство производственных процессов осуществляется в полностью автоматическом режиме. Участие человека при серийном выпуске продукции – минимальное: настроить, отладить, откалибровать параметры работы оборудования. Максимальная автоматизация и применение новейших технологий обеспечивают 100% контроль качества изделий на каждом этапе их изготовления и высокий уровень производительности. Что позволяет компании как осуществлять выпуск собственной продукции, так и выполнять контрактные заказы для других предприятий. Говоря о контрактном производстве изделий, следует отметить еще одну особенность производства НПО СтарЛайн – его комплексность. Например, вам нужно произвести готовое изделие. Обычно за изготовлением электроники заказчик обращается в одну организацию, пластикового корпуса – в другую, провода и кабели приобретает у третьего поставщика, а упаковку для готового продукта – у четвертого. Затем изделие нужно собрать, протестировать. Если хотя бы у одного поставщика высокий уровень загрузки, заказ может достаточно долго ожидать своей очереди. Следовательно, из-за одной детали выпуск целого изделия затягивается.

В НПО СтарЛайн все этапы – от идеи до готового продукта – осуществляются в одном месте. То есть можно сразу заказать и радиоэлектронную «начинку», и пластиковый корпус, и набор кабелей для изделия, а также тестирование и упаковку готового продукта.

Работа с заказчиком осуществляется по принципу «одного окна» – все взаимодействие осуществляется через закрепленного персонального менеджера, что экономит время и снимает вопросы сложности коммуникации при разработке сложного многосоставного продукта.

Производство электроники №1 2020

РЫНОК

100

Координатор проекта прорабатывает весь заказ: редизайн печатной платы, подбор компонентов и полимерных материалов, изготовление прототипа, подготовку к серийному производству и само производство, а также разработку упаковки и сборку готовой продукции. Комплексность производства и всех ему сопутствующих организационных процессов помогает экономить время заказчика, обеспечивать высокий уровень качества продукции, сокращать затраты на ее хранение и логистику. Сегодня заказчиками комплексного контрактного производства НПО СтарЛайн являются ведущие мировые автопроизводители, авиа- и судостроительные предприятия, а также производства вычислительной техники, средств связи, серверов, компьютеров, робототехнических устройств, приборов для электроэнергетической отрасли и многие другие предприятия. В числе таких заказчиков известные разработчики робототехнических конструкторов «Роббо» и ТРИК. А летом 2019 года на 80‑летиии московского ВДНХ состо-

www.elcomdesign.ru

ялось шоу дронов компании «Геоскан», комплектующие для которых были изготовлены в НПО СтарЛайн. Также сейчас для одного из российских предприятий здесь изготавливаются серверные материнские платы, каждая из которых состоит из свыше 5000 компонентов. Изготовление таких изделий требует множество дополнительных операций, функционального ICT-тестирования рентген-контроля, 100% функционального тестирования и так далее. Надеваем бахилы и заходим в стерильный цех

Но, как говорится, лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. Поэтому, наш корреспондент решает лично посетить производство компании и посмотреть, так ли здесь все здорово, как описывается. Кстати, для гостей извне производство компании открыто. Здесь регулярно проводят экскурсии для партнеров, школьников, студентов и всех, кто заинтересован передовыми технологиями. Заказчики могут посещать производство НПО СтарЛайн и с целью

аудита, чтобы лично увидеть процесс изготовления изделий. Философия компании – полная открытость для своих партнеров. Экскурсию по радиоэлектронному производству для нашего корреспондента проводит ведущий специалист НПО СтарЛайн Владимир Лаптевский. Вместе с ним мы отправляемся в так называемую «прихож ую» – примыкающее к производству помещение, похожее на предоперационную. Здесь нам выдают гостевые антистатические халаты и бахилы. Антистатическая одежда и обувь на таких производствах просто необходима, чтобы не повредить дорогостоящую электронную продукцию от случайного статического заряда. Итак, все необходимые меры безопасности соблюдены. Заходим внутрь производственного цеха… Цеха ли? Назвать стерильное, как в операционной, помещение словом «цех» язык не поворачивается. Чисто, светло. Климатическая система производственного помещения поддерживает оптимальные для электронного производства температуру 22–24°C и влажность воздуха 40–60%. «Такие условия позволяют сохранять свойства паяльной пасты, обеспечивая 100% качество процесса пайки», – объясняют сотрудники производства. Даже воздух здесь стерилен. Каждый час он меняется 12 раз. Причем, приточный и удаляемый воздух проходит систему тройной очистки, а движение его производится сверху вниз, как в операционных больниц. Такое решение обеспечивает циркуляцию воздуха, удаление частиц пыли и мельчайших загрязнений размером 5 мкм. Идеальные санитарные условия и для машин, и для контролирующих их работу людей. Производственные линии, тележки, места хранения изделий, рабочие места сотрудников – все имеет строгую организацию и порядок по системе 5S. Наш экскурсовод объясняет, что производство НПО СтарЛайн сертифицировано международным сертификатом E1 (TUV SUD, Германия), технологические процессы соответствуют стандарту ISO 9001:2015 и ГОСТ Р ИСО 9001:2015. Все под 3D-контролем

Основой радиоэлектронного производства НПО СтарЛайн являются четыре автоматизированные и роботизированные линии по установке поверхностных электронных компонентов на печатные платы, а также три линии селективной пайки выводных электронных компонентов. «Кто-то подумает: всего четыре и три? Но нужно понимать, что на этих линиях осуществляется полный производствен-

в России не было, да и сейчас немногие их используют, поскольку считают, что такое оборудование – это лишние затраты, не увеличивающие производительность. Но при этом очень значительно увеличивается качество изготавливаемых изделий. Каким образом? Если на данном этапе инспекция показала, что паста плохо нанесена, то плата задерживается, попадает на автоматическую отмывку, затем сушится и снова отправляется на линию. Это очень недорогой ремонт с минимальными трудозатратами. Если же такой инспекции не будет, и паста плохо нанесется, то о дефектах мы узнаем лишь после полной сборки на производственной линии. Перепаивать элек тронные компоненты, возможные замыкания на микросхемах и другие дефекты придется вручную, а это дорогостоящий ремонт. За счет того, что есть полная прослеживаемость, и все операции попадают в базу данных мы быстро и с минимальными финансовыми потерями устраняем брак», – объясняет Владимир Лаптевский.

Кстати, если платы планируется использовать в агрессивной среде, их дополнительно покрывают специальным защитным покрытием. Например, такое покрытие наносится на платы охранного оборудования StarLine, которому предстоит выдерживать в подкапотном пространстве автомобиля перепады температур, конденсат и влажность. Поверхностный монтаж с глубоким подходом

Успешно пройд я 3D -инспекцию качества нанесения паяльной пасты, наше изделие попадает в «сердце» производственной линии, где осуществляется поверхностный монтаж SMDкомпонентов. SMD-компоненты (Surface Mounted Devices) – это компоненты электронной схемы, нанесенные на печатную плату с использованием технологии монтирования на поверхность. Все компоненты приходят в специальных катушках. Им присваивают уникальный код, а затем заносят в электронную базу SAP, что позволяет отслеживать, в каком изделии

Производство электроники №1 2020

РЫНОК

ный цикл. Одна такая линия – как три среднесерийных на ряде других производств. У вас может быть 10 велосипедов или один гоночный автомобиль. У кого мощности будут выше? Наше оборудование позволяет устанавливать до 30 000 000 электронных компонентов в сутки», – отмечает Владимир Лаптевский. Подходим к линии поверхностного монтажа. «Прямо сейчас вы видите, как изготавливаются элек тронные изделия для системы пожарного оповещения, – говорит наш экскурсовод. – Заказчик разработал схему, наши технологи подготовили печатную плату для серийного производства. Теперь на автоматизированных и роботизированных линиях НПО СтарЛайн осуществляется поверхностный монтаж электронных компонентов на эти платы». Мы наблюдаем, как платы помещаются в загрузчик и отправляются дальше по конвейеру. Следующая «станция» – лазерная маркировка. Здесь на каждую плату наносится QR-код. Зачем? Для полной прослеживаемости изделия на каждом этапе пр оизводс тв а. К а ж дой плате присваивается индивидуальное «имя». С этого момента все операции, которые буду т с ней происходить, а в последующем и с изделием, будут записываться на сервер в специальной программе. Более того, все электронные компоненты, которые поступают на склад от поставщиков НПО СтарЛайн, также маркируются, проходят входной контроль и попадают в базы данных SAP. Поэтому, если обнаружится дефектная партия, ее будет легко найти и изъять с производства. Тем временем, наше будущее изделие уже отправилось по конвейеру дальше, ведь все процессы на линии занимают какие-то секунды, а то и доли секунд. Следующий этап – очистка платы от мельчайших, размером в 5 мкм, загрязнений при помощи адгезивной системы Teknek. После этого трафаретным принтером Panasonic с точностью 20 мкм на плату наносится паяльная паста. Ее состав может быть разных типов, в зависимости от требуемой технологии. Трафарет для каждого изделия тоже индивидуальный. Он заказывается и изготавливается заранее. После того как этот процесс завершен, при помощи 3D-инспекции SPI KohYoung на каждой плате проверяется контактная площадка с нанесенной паяльной пастой. Только плата, прошедшая 100% контроль качества, отправляется далее по конвейеру. «Когда мы шесть лет назад запускали производс тво, таких машин

101

РЫНОК

102

и какой элемент находится. У каждого оператора линии есть портативный компьютер, с помощью которого сканируется код на катушке и код на питателе. Автомат видит, какой компонент здесь стоит. Если компонент не тот, он сообщает об ошибке. Так что человеческий фактор максимально исключен. SMD-компоненты захватывают и устанавливают на печатную плату высокопроизводительные автоматы Panasonic NPM-W. Поверхностный монтаж осуществляется с точностью 20 микрон. Притом, что размер таких компонентов может быть от 0,4×0,2 до 120×120 мм. «В каждой линии поверхностного монтажа установлены три автомата Panasonic NPM-W. Два из них – «чипшу теры», которые ус танав лив ают маленькие, легкие чип-компоненты: резисторы, конденсаторы и другие. Чип-компонентов на плате всегда больше, поэтому и автоматов для них тоже используется больше. У каждого автомата 2 «головы» по 16 насадок для захвата компонентов. Третий автомат многофункциональный, у него тоже две «головы», но на одной 3 насадки, а на другой 8 – для установки микросхем и больших тяжелых компонентов. Чтобы линия не простаивала, автоматы программируются дистанционно (вне линии). Специальное программное обеспечение позволяет опти мизировать процесс сборки таким образом, чтобы все автоматы работали одинаковое время. За счет этого производительность каждой линии поверхностного монтажа увеличивается до 280 000 компонентов в час», – говорит Владимир Лаптевский. Первая собранная плата движется по линии дальше и попадает на рабочую станцию, где ее проверяет контролер ОТК. Происходит 100% визуальный контроль, и только после разрешения контролера ОТК плата попадает в конвекционную печь, где проис ходит процесс оплавления паяльной пасты, и SMD -компоненты припаиваютс я к печатной плате. Селективная пайка в атмосфере азота и летающие пробники

Автоматизированные линии монтажа штыревых и сквозных компонентов позволяют установить штыревые компоненты, такие как разъемы и реле, с последующей селективной пайкой в атмосфере азота. Бездефектную пайку обеспечивают роботизированные линии селективной (выборочной) пайки компонентов сквозного монтажа SEHO SelectLine. Каждый автомат включает четыре роботизированных наконечника с припоем.

www.elcomdesign.ru

Для сравнения: производительность одной линии селективной пайки равна совокупной работе 60 монтажников РЭА. Сбор данных о важнейших параметрах процесса пайки происходит автоматически и проецируется на монитор оператора. Здесь также установлена автоматическая оптическая инспекция, которая проверяет смонтированную плату с двух сторон. Сверху инспектируется, правильные ли установлены компоненты, а снизу – качество паяльных соединений.

Производство оснащено рентгеном, с помощью которого проверяется качество паяных соединений. А проверку электрических цепей платы и параметров компонентов до подачи питания на схему проводит система внутрисхемного тестирования Takaya APT1400FA, работающая по технологии «летающих пробников». «К примеру, сейчас IСT-тестер мы используем для проверки серверных плат. Серверная плата, на которой более 5000 компонентов, – это очень доро-

го производства: полная прослеживаемость, принудительная маршрутизация, автоматизированный процесс инженерной подготовки производства, комплектование и автоматизированный учет расхода материалов. Многоступенчатый контроль и тестирование в сочетании с принудительной маршрутизацией FactoryLogix гарантируют, что только продукция, удовлетворяющая требованиям качества и прошедшая все стадии контроля, может покинуть электронное производство и переместиться на участок корпусирования, или подготовиться к отгрузке заказчику. Добавим, все оборудование на производстве НПО СтарЛайн энергоэкономично, что также позволяет снижать стоимость конечного продукта. А если произойдет отключение электроэнергии, то работа продолжится – все линии подключены к источникам бесперебойного питания (ИБП) и электрогенераторам. ИБП берут на себя всю нагрузку до момента подключения оборудования к собственным дизель-генераторам. Общая емкость ИБП, обслуживающих все линии, – порядка 350 кВт. Симбиоз людей и роботов

Сегодня мы часто слышим скептические высказывания о том, что цифровизация ведет к росту безработицы. Однако на производстве НПО СтарЛайн мы видим, что люди – один из важнейших ресурсов компании. Просто с появлением новых технологий специалисты переквалифицируются, приобретают новые знания и компетенции. «Зайдите на популярный в СанктПетербурге сайт вакансий и обязательно увидите, что на наше производство регулярно требуются сотрудники. Мы растем, расширяемся, в ближайшее время запланирован переход на круглосуточный режим работы. За каждой умной машиной стоит компетентный, ответственный сотрудник. Обучаем мы

таких специалистов сами, потому что производство уникальное», – заключает Владимир Лаптевский. Казалось бы, цифровизация производс тв а тр е буе т с у ще с твенны х капиталовложений и наращивания компетенций со стороны компании-производителя. Стоит ли все это таких затрат? Эксперты НПО СтарЛайн развенчивают и это предубеж дение: еще как. На цифровом предприятии процесс изготовления продукции становитс я полнос тью управ ляемым и прозрачным на всех этапах, создается единое информационное пространство, в котором высокотехнологичное оборудование, аналитические и управленческие IT-системы постоянно обмениваются данными. Это позволяет нарастить объемы выпускаемых изделий, поэтапно контролировать качество их производства, а также влиять на цепочку формирования их конечной стоимости. По сути, решаются две важные для бизнеса задачи: максимально снизить себестоимость выпускаемой продукции и поддерживать высокое качество изготавливаемых изделий. В результате покупатель получает в ожидаемый срок качественный и доступный по цене продукт, а владелец бизнеса – лояльного постоянного партнера и высокий доход. Так, цифровизация производства позволяет формировать конкурентное преимущество предприятия за счет масштабирования производства. Именно благодаря всем этим факторам концепция четвертой промышленной революции («Индустрии 4.0») становится с каждым годом все популярнее в ведущих странах мира. В том числе и предприятия Китая сейчас работают над цифровизацией своих производств. Между тем, у наших производителей сегодня уже есть и технологии, и ресурсы, и компетенции, которые позволяют с гордостью сказать: «Сделано в России».

Производство электроники №1 2020

РЫНОК

гостоящее изделие. Тестер позволяет выявить, нет ли замыканий на печатной плате, все ли компоненты соответствуют заявленным характеристикам. С его помощью проверяются компоненты, находящиеся в электрической цепи. Таким образом, все изделие безопасно проверяется до момента включения. Если что-то не в порядке, выясняются причины и устраняются без вреда для всего изделия», – уточняет Владимир Лаптевский. На участке функционального тестир о в ани я из де ли я пр оход я т 10 0 % функциональный контроль качества. На специальном стенде размещается плата, «заливается» тестовое программное обеспечение, а затем ведется проверка ее работы. Этот процесс реализуется сотрудниками производства также в полуавтоматическом режиме. За раз можно протестировать сразу несколько изделий. И, наконец, отдел технического контроля. Здесь изделия еще раз визуально проверяют сотрудники производства: сканируется QR-код изделия, уточняется, были ли в ходе производства дефекты и, в тех немногих случаях, когда да, специалисты просматривают, все ли они устранены. Только после этого изделия попадают на склад. А еще на производстве есть уникальный автоматизированный комплекс на основе двух роботов от мирового лидера – компании ABB. На нем выполняется тонкая работа, которую сложно выполнить руками. Например, прямо сейчас здесь паяются шлейфы брелоков для автомобильных охранных комплексов StarLine. Оператор загружает в автомат треи с печатными узлами и дисплеями брелоков. Дальше умные роботы без дальнейшего участия человека производят корректное позиционирование шлейфа брелока и печатного узла, спаивают их вместе. Оператору остается только передать заполненный трек на операцию тестирования брелоков. Один такой роботизированный комплекс равен производительности 60 сотрудников монтажа. Программу роботов можно перенастроить на выполнение любого другого задания в рамках контрактного производства для партнеров. Регулирует все автоматизированные процессы система учета и контроля производства FactoryLogix с использованием программного обеспечения PanaCIM. НПО СтарЛайн стало первым предприятием в России, которое начало ее применять. Система позволила исключить так называемый человеческий фактор и перевести весь бумажный документооборот в электронный. Она отвечает всем требованиям современно-

103

Проектирование печатных плат с DDR: настройки моделирования и анализ результатов Нитин Бхагват (Nitin Bhagwath)

Правильные настройки моделирования, корректный анализ результатов позволяют существенно снизить общее время при проектировании высокоскоростных подсистем DDR. В данной статье рассмотрим основы концепции шин DDR, вопросы подготовки к моделированию и проведем анализ результатов моделирования.

Основы концепции шин DDR

П Е Ч АТ Н Ы Е П Л АТ Ы

Шина DDR – это одна из наиболее распространенных и широко используемых высокоскоростных шин памяти. Несмотря на то, что конструкция шины достаточно проста и ее применение требует выполнения всего нескольких важных принципов, проектирование плат с DDR сопровождается некоторыми сложностями, которые могут напугать новичков. В первую очередь, необходимо понимание структурных элементов шины, это полезно для выполнения важных требований при проектировании. Шина состоит из одного контроллера на одном конце и одного или нескольких чипов DRAM на другом. В общем, чем больший объем памяти требуется системе, тем большее количество чипов DRAM необходимо. Две основные проводимые контроллером операции – это запись данных на чипы DRAM, и чтение данных с чипов DRAM.

104

Как работает DDR Эти операции производятся с помощью двух наборов сигналов: по шине данных и шине адреса/команд, как показано на рисунке 1. Двунаправленная шина данных характеризуется количеством линий для передачи данных. Каждая линия состоит из уникального DQS (стробирующего) сигнала и соответствующих сигналов данных. Обычно линия состоит из 8 бит. Однако существуют и DRAM только с 4 битами данных, поэтому некоторые линии могут состоять только из 4 битов. Независимо от количества битов в линии, каждый бит фиксируется во время передачи сигнала DQS. Сигналы данных все односторонние. Сигналы DQS для шин DDR3 и DDR4 всегда дифференциальные. Для шин DDR2 сигналы DQS могут быть как односторонними, так и дифференциальными. Во время записи контроллер подает сигнал приблизительно посередине между двумя передачами сигнала DQS (см. рис. 2). Таким образом, во время текущей передачи сигнала DQS сигнал данных должен быть стабилен. Далее чип DRAM фиксирует сигнал данных во время передачи DQS. Это первый важный элемент: необходимо удовлетворить требованиям по времени установки и времени удерживания на DRAM. Так как контроллер подает сигналы данных приблизительно посередине между двумя передачами DQS, для того чтобы центрировать сигналы DQS относительно стабильных сигналов данных, необходимо, чтобы задержка распространения сигнала DQS и задержка сигнала данной линии не очень отличались друг от друга. Величина задерж-

www.elcomdesign.ru

Рис. 1. Шина DDR использует два набора сигналов, как большинство шин памяти

Рис. 2. Для записи контроллер пускает сигнал приблизительно посередине между двумя передачами сигнала DQS

Новая концепция трассировки «Fly-by»

В шинах DDR3 была представлена новая концепция трассировки «fly-by». Это позволило адресным и тактовым сигналам подаваться контроллером и достигать каждого DRAM по очереди друг за другом. Это, однако, подразумевает, что тактовый

Рис. 3. Во время чтения, в отличие от записи, сигналы данных присоединяются к DQS

Рис. 4. Сигналы команды и адреса пускаются контроллером во время спада тактового сигнала

сигнал достигает каждый из чипов DRAM в разное время. Если сигналы DQS производятся равной длины, то нет гарантии, что требование для сигналов DQS/CLK, о котором говорилось выше, будет выполнено. В данном случае контроллер должен быть способен своими силами задерживать сигналы DQS так, чтобы сигнал DQS достиг тактового сигнала приблизительно в одно и то же время. Учтите, что для шин DDR2 и для контроллеров, которые не поддерживают такой метод, тактовые сигналы и сигналы DQS должны быть согласованы друг с другом. Подготовка к моделированию

В предыдущем разделе мы обсудили некоторые критические задачи целостности сигнала, с которыми инженеры сталкиваются в процессе проектирования шин DDR. Лучше всего перед производством таких плат провести моделирование их работы, с помощью которого можно обнаружить ошибки функциональности платы с первого раза, а также снизить количество итераций процесса проектирования. Это значит, что время, требуемое для того, чтобы установить, запустить и проанализировать результаты моделирования, также должно быть снижено, иначе использовать процесс моделирования будет невыгодно. Поэтому цель разработчика – использовать необходимые инструменты, которые позволяют провести быстрое моделирование и получить данные, которые легко понять и проанализировать, чтобы затем сфокусироваться только на критических точках. В идеале такой инструмент должен делать все перечисленное. Для того чтобы снизить время установки следует хорошо изучить нужные входные данные и определить их значения к тому времени, как начнется моделирование. Для получения хороших результатов необходимо действительно

Производство электроники №1 2020

П Е Ч АТ Н Ы Е П Л АТ Ы

ки распространения сигнала между линиями может немного варьироваться, так как стробирующий сигнал используется только для битов данных на рассматриваемой линии. Во время чтения DRAM подает сигналы данных приблизительно в соответствии с сигналами DQS (см. рис. 3). Затем контроллеру необходимо задержать сигнал данных и/или стробирующий сигнал на нужное время для того, чтобы зафиксировать сигнал с помощью DQS. В одноразрядной системе каждая линия достигает только одного чипа DRAM. В мультиразрядных системах линия (бит данных и стробирующий сигнал) может быть соединена с несколькими чипами DRAM. Во время передачи активным будет только один из соединенных с линией чипов DRAM. Возможность доступа к чипу памяти определяется с помощью сигнала выбора элемента памяти (сигнал CS); у других неактивных DRAM, соединенных с этой линией, сигнал выбора будет неактивным. В общем, количество «разрядов» в системе равно количеству активных в системе сигналов CS, что будет равно количеству чипов DRAM, соединенных с данной линией. Адресная/командная шина состоит из нескольких адресных битов (точное количество зависит от размеров чипов DRAM, к которым нужно обратиться), нескольких битов для команды, переданной на DRAM и, наконец, тактового сигнала. Шина однонаправленная; команды посылаются только от контроллера к DRAM. Адресные сигналы и сигналы команд являются несимметричными. Тактовый сигнал дифференциальный, синхронизация происходит при пересечении основного тактового сигнала и инвертированного. Для выполнения команды контроллером подаются соответствующие адресный сигнал и сигнал команды в момент, когда тактовый сигнал идет вниз (см. рис. 4). Сигналы остаются на том же уровне, когда тактовый сигнал начинает подниматься, и затем во время последующего спада тактового сигнала производится переход к новой команде. Таким образом, сигнал команды стабилен тогда, когда тактовый сигнал находится на верхнем уровне. Это привело нас ко второй важной проблеме: необходимо согласовывать время установки и время удерживания адресных сигналов и сигналов команд на DRAM. Из-за того, что сигналы посылаются контроллером таким образом, чтобы обеспечить стабильность битов адреса/команды во время нарастания тактового сигнала, необходимо точно произвести задержку сигналов адреса/команды на величину, равную такту. Так как шина адреса/команд распределяется по разным чипам DRAM, задержка сигнала от контроллера к каждому DRAM должна быть одинакова для всех адресных битов, а также тактовых сигналов. Поэтому даже если задержка на чипах DRAM может варьироваться, задержки для адреса и тактового сигнала должны синхронизироваться на любом заданном DRAM. Наконец, существуют требования, которые должны выполняться на чипе DRAM между сигналами DQS и тактовыми сигналами (CLK). Это требование координирует шину данных и шину адреса. Сигналам DQS и CLK необходимо синхронизироваться на каждом DRAM. Для того, чтобы это обеспечить, шине DDR2 требуется, чтобы задержки от каждого контроллера к каждому DRAM для каждого из сигналов DQS были равны друг другу, и в общем значение было равно величине задержки от контроллера к DRAM для тактового сигнала.

105

Рис. 5. Глазковая диаграмма выводит большое количество сигналов сверху маски (центральный прямоугольник) для того, чтобы показать запас. В этом примере запас очень хороший

DRAM эта информация обеспечивается организацией Jedec, она уже доступна и в спецификациях на DRAM, и на сайте Jedec (jedec.org). Соответственно, требования к контроллерам приведены в спецификациях на контроллеры. Но бывает, что поставщики контроллеров не публикуют в своих спецификациях эти требования. В таких случаях можно запросить информацию у инженера-технолога компании-поставщика. Учтите, что эти требования не относятся к самому моделированию, а необходимы для характеризации и описания параметров проектируемой шины, если вдруг плата вернется на доработку. После всего этого, если на осциллографе построена глазковая диаграмма, как показано на рисунке 5, и при этом нет маски, с которой можно сравнить диаграмму, то невозможно оценить пригодность системы и узнать, насколько большой запас будет иметь конструкция. Поэтому у инженера-технолога компаниипоставщика лучше запрашивать информацию, относящуюся к проверке целостности сигнала системы, а не к проверке результатов моделирования.

П Е Ч АТ Н Ы Е П Л АТ Ы

немного. Большинство из того, что нужно, разработчик уже получил от заказчика, например, файл платы или техзадание, и от поставщика, например, спецификации к материалам и компонентам. Первое, что нужно – это модели драйвера и ресивера для контроллера памяти и чипов DRAM. Модель IBIS контроллера можно получить от поставщика или скачать на сайте производителя. Модель IBIS для DRAM также можно запросить у поставщиков DRAM, например, таких компаний как Micron, Samsung или Hynix. Модели должны содержать всю информацию для различных параметров, а также различных опций по терминированию сигналов (метод ODT), доступных для соответствующих чипов. Некоторые поставщики более охотно предлагают Spiceмодели, а не IBIS. Spice-моделирование может быть ненамного более точным, и часто медленнее обрабатывает большие порядки величин, чем IBIS. В публикации [2] было показано, что настройка и установка для запуска драйвера Spice заняла 221 час. Тогда как для запуска драйвера IBIS – около 3 часов. Таким образом, если основная задача – экономия времени, то использование IBIS-модели может ускорить процесс. Вместе с тем, бывают случаи очень плохо созданных моделей IBIS, поэтому лучше всего, если разработчик запросит сравнительные данные у поставщика. Следующее требование – это создание критерия «годно/не годно» для различных интегральных схем. Инструменты моделирования могут генерировать колебания сигналов, но расчетными критериями для того, чтобы классифицировать результирующие сигналы как годные или негодные, может обеспечить только поставщик чипов. Простой пример: ширина глазковой диаграммы, построенная для сигналов контроллера, необходимая при чтении поступающих DQ сигналов. Для

106

Рис. 6. Спецификации Jedec содержат всю информацию, необходимую для проведения моделирования

www.elcomdesign.ru

Рис. 7. Информация о сборке всех слоев платы, включая ширину дорожек и свойства диэлектрика

и проверка конструкции станет проще и быстрее. Анализ результатов моделирования

В данном разделе мы совместим выводы предыдущих разделов и обсудим, на какие из полученных при моделировании результатов нужно обратить внимание. Первый шаг после выполнения моделирования DDR – это изучение требований шины, то есть на самом деле это требования ресивера к контроллеру (во время чтения) и DRAM (во время записи и передаче адреса/команд). Эта информация для контроллера приведена в его спецификации. Требования к DRAM можно запросить у поставщика или найти на сайте Jedec (jedec. org). Данный шаг важен, так как понять все тонкости полученных результатов моделирования возможно, только если известны основные требования. Единственный способ убедиться, что результаты будут правильно интерпретированы – это работать с инструментами моделирования, которые дают легко

понятные результаты. Часто в результате моделирования получается огромное количество данных проведенных измерений, поэтому для последующего анализа необходима возможность их фильтрации и ранжирования по мере критичности. Обычно начинают с самых проблемных сигналов. Наиболее проблемными цепями можно назвать цепи, которые показывают наиболее низкий запас значений по крайней мере на одном из измеряемых параметров. Например, сигнал, который имеет наименьшее время установки среди всех цепей, может рассматриваться как самая проблемная цепь. Вообще, это хорошая традиция – анализировать самые проблемные цепи, даже если они не нарушают работоспособность. Даже если моделирование не показало нарушение работы конструкции, результаты могут быть достаточно близки к пределу, что указывает на слабое место в проекте. Это может проявляться в виде отказов в работе, в реальных системах часто могут возникать перебои, что в дальнейшем может потребовать значительных

П Е Ч АТ Н Ы Е П Л АТ Ы

Общие требования, которые нужно запросить у поставщика: –– Соотношение времени ввода между сигналами DQ/DQS во время операции чтения. –– Отк лонение выходных сигналов DQ/DQS во время операции записи. –– Отк лонение выходных сигналов DQS/CLK во время операции записи. –– Отк лонение выходных сигналов address/CLK во время передачи адреса/команды. Для DRAM эта информация доступна на сайте организации Jedec, при этом спецификации содержат не только информацию, касающуюся целостности сигнала, но и всю информацию о надежности DDR каналов (пример подачи информации на рисунке 6). Информация по сборке платы должна быть очень точной (см. рис. 7). Эти данные обычно дают разработчики плат, они включают информацию о назначении и расположении слоев, ширине дорожек (для заданного полного сопротивления) и свойствах диэлектрика. Разработчик плат должен предоставить также предварительную схему сборки, которая будет использоваться на стадии экспериментальной разработки перед тем, как начать разводку. Затем необходимо определить некоторые части системы, где требуется применение моделей сторонних производителей. Например, разъемы могут быть смоделированы как простые RLC-цепи, либо как более сложные модели с S‑параметрами. Такие опции необходимо обсуждать с разработчиком. Если в системе применяются стандартные DIMM, то необходимо использовать предназначенные для них модели плат. Список таких моделей также есть на сайте Jedec. Наконец, необходимо определить те регионы платы, которым нужен специальный анализ. В конструкции платы могут быть структуры, которые лучше всего можно моделировать с помощью 3D-средств. Чаще всего среди таких струк т ур встречаются переходные отверстия. Чем выше скорость передачи данных, тем лучше, если переходные отверстия будут моделированы как 3D-структуры. В целом, моделирование необходимо использовать как инструмент, с помощью которого можно ускорить процесс проектирования системы. Процесс моделирования не должен занимать много времени, для этого необходимо провести адекватную подготовку перед запуском моделирования. Это значит, что требуется проанализировать плату, связаться и запросить техническую информацию у поставщиков чипов DRAM, контроллеров и разъемов. Имея такую информацию, разработка

107

Рис. 8. Область перерегулирования

Производство электроники №1 2020

Рис. 9. Шлейф в системе

П Е Ч АТ Н Ы Е П Л АТ Ы

Рис. 10. Эффект отражения из-за наличия шлейфа

108

усилий по устранению. Это особенно актуально, когда один сигнал имеет ненормально низкий запас для каждого из измеряемых параметров. Например, если сигнал DQ0 имеет запас по времени установки всего 5 пс, тогда как другие сигналы имеют по крайней мере 40 пс, то возможно стоит обратить внимание на проблемный сигнал DQ0 (и соответствующий ему стробирующий сигнал). Такое некоррек тное поведение сигналов может указывать на несколько явлений, и причины их появления могут быть разными. Часто бывает, что или запас по времени установки, или запас по времени удержания могут быть очень низкими. Если один из показателей низкий (пусть запас по времени установки), тогда как другой показатель (в данном случае время удержания) высокий, то следовательно, стробирующий сигнал (или тактовый сигнал) плохо синхронизирован с сигналом DQ (или адресом). В таких случаях необходимо внести исправления в параметры контроллера, и по возможности калибровать каждый бит индивидуально. После чего моделирование можно провести заново (автоматически, если средство моделирования имеет такую функцию) с соответствующими задержками для сигнальных битов. Если контроллер не позволяет провести калибровку для каждого бита, то для некоторых из сигнальных битов нужно установить боль-

www.elcomdesign.ru

шую или меньшую величину задержки при разводке. Следующий элемент д ля анализа – нежелательные осцилляции, которые могут стать причиной ненужных изменений нескольких параметров, включая увеличение величины максимального перерегулирования или изменения во времени установки/удерживания. Некоторые отклонения, например, в перерегулировании, могут статьи причиной поломки чипа. Такие поломки не всегда происходят в первое включение и скорее случаются по прошествии некоторого времени. Поэтому, чем раньше вы узнаете об этом, тем меньше переделок и отладок понадобится на последующих стадиях, что в свою очередь снижает издержки. Нежелательные осцилляции часто вызываются некорректным терминированием сигналов. Это обычно исправляется с помощью подбора разных значений ODT на ресивере до тех пор, пока нежелательное осциллирование не снизится до приемлемого уровня. На рисунке 8 показано, как сигнал попадает за пороговое значение Vdd (1,5 В). Значительного перерегулирования сигнала не происходит (для этого нужно пересечь порог 1,9 В), однако величины области напряжение/время, показанной красным цветом на рисунке 8, может быть достаточно для того, чтобы нарушить требование спецификаций Jedec по области максимального перерегулирования.

Третья проблема: избыточный шум и перекрестные помехи, воздействующие на сигнал. Проблема решается с помощью пространственного отделения сигналов друг от друга. Еще одна проблема – это наличие шлейфов в цепи (см. рис. 9), что может стать причиной появления отражений сигнала, часто выглядящих как «ступеньки» в колебаниях сигнала (см. рис. 10). Ес ли шлейф можно укоротить, это поможет улучшить целостность сигнала. Часто такие «ступеньки» в форме колебаний появляются из-за того, что измерения были сделаны в период операции чтения на выводе контроллера. Это можно быстро исправить, подняв точку измерений в другую область. Эти проблемы измерения появляются из-за того, что часто файл IBIS для контроллера проводит измерения на выводах контроллера. После определения основных проблем и причин их возникновения, следующий шаг – устранить их на плате и выполнить последующее моделирование. Для экономии времени лучше сначала провести моделирование работы только тех участков, где были внесены изменения. Только после того, как были произведены локальные исправления, можно переходить к моделированию работы целой платы/системы. Наконец, уже после того, как печатная плата произведена, смодели рованные формы сигналов можно сравнить с полученными с помощью осциллографа сигналами. С осциллографом нет необходимости измерять каждый сигнал на шине. Можно измерить несколько сигналов и сверить их с результатами измерений, полученных в процессе моделирования, что увеличит уверенность в том, что моделирование произведено успешно. Правильные настройки моделирования, корректный анализ результатов помогут снизить общее время, требуемое для проектирования высокоскоростных подсистем DDR. Литература 1. Nitin Bhagwath. Designing PCBs for DDR Busses. PCD&F/CirCuits Assembly. June, 2016. 2. Nitin Bhagwath. DDR4 Board Design and SI Challenges. DesignCon. January, 2015.

ПРОТЕХ совместно с Термопро представляют новую опцию Stop & Go для дымоуловителя Duet FE-250 и паяльной станции Альфа-100. При работе с паяльной станцией дымоуловитель автоматически включается в момент начала пайки и отключается по ее окончании.

Опция позволит оптимизировать рабочий процесс для монтажников, сэкономить электроэнергию, а также продлить срок службы фильтров дымоуловителя.

ОБОРУДОВАНИЕ РАЗРАБОТАНО И ПРОИЗВЕДЕНО В РФ.

Как минимизировать образование пустот вдвое Тим О’Нилл (Tim O’Neill) Пустоты в площадках заземления для корпусов QFN можно сократить более чем на 50% путем изменения апертуры шаблона. В статье приводятся результаты исследования этого вопроса, который условно назвали «AIM I/O».

М О Н ТА Ж К О М П О Н Е Н Т О В

На проведение эксперимента нас подтолкнуло исследование коллег из Университета Хуарес, Мексика. При изучении контактных площадок ввода/вывода на корпусах QFN ученые заметили, что если не наносить паяльную пасту на такие площадки, образование пор и пустот на площадках заземления значительно уменьшается. Действительно значительно. И заметных пустот там, где в обычных условиях они составляли 10–15% от размера площадки, не наблюдается. Инженеры из AIM решили пойти дальше и исследовать вопрос, какой же объем паяльной пасты на контактных площадках ввода/вывода будет способствовать уменьшению образования пустот. До сих пор большинство экспериментов фокусировалось на изменениях объема паяльной пасты, наносимой на площадки заземления, но не на площадки ввода/вывода. Для площадок заземления уже были опробованы различные формы апертур (в виде рамки, звезды, ромба и т. д.) все с одной и той же целью – обеспечить пути вывода

Рис. 1. Уменьшение пустот на площадках заземления BTC как результат изменения размера апертур для площадок ввода/вывода, в то время как контактная площадка заземления имеет апертуру изначального размера и формы

110 Рис. 2. Повторяющиеся результаты уменьшения пустот с помощью изменения апертур для площадок ввода/вывода для разных размеров корпусов

Рис. 3. Конструкция тестового шаблона

www.elcomdesign.ru

газа, содержащегося во флюсах. Наш эксперимент состоял в том, чтобы проверить, каким образом изменение объема паяльной пасты, нанесенной на площадки ввода/вывода, влияет на формирование пустот на площадках заземления. Полученные результаты показаны на рисунке 1. Однако величина образца была достаточно мала, и тестирование проводилось только на корпусах одного размера. Скептики из AIM хотели получить больше данных и провели еще один эксперимент с различными размерами корпусов QFN и различными площадками ввода/вывода, чтобы убедиться, что результаты верны и для них. На рисунке 2 показаны результаты изменения апертур для площадок заземления корпусов QFN различных размеров. Представленные данные показывают корреляцию между изменением апертур площадок ввода/вывода и значительным уменьшением пустот у площадок заземления. Далее мы решили изучить подробно, как именно влияет размер апертур для нанесения паяльной пасты на контактные площадки ввода/вывода. Речь идет о нанесении паяльной пасты на площадку ввода/вывода с использованием апертуры, немного большей, чем площадка. В этом эксперименте мы взяли три разных устройства в корпусе MLF и нанесли паяльную пасту на площадки ввода/вывода с использованием апертур разных размеров (см. рис. 3): -- равных размеру площадки, включая ее кромки; -- на 10 мил больше с каждой стороны площадки (включая кромки); -- на 20 мил больше; -- на 30 мил больше. Экспериментальные образцы немедленно разместили в печи оплавления, чтобы не образовались шарики припоя, особенно это важно для бессвинцовых паяльных паст. На рисунке 4 показан эффект нанесения паяльной пасты с формированием пустот для трех корпусов QFN: 16, 32 и 48 I/O. Пустоты уменьшились на треть и больше просто за счет увеличения объема нанесенной паяльной пасты на площадках ввода/вывода. Следующий вопрос: что послужило этому причиной? К сожалению, проникнуть внутрь печи для того, чтобы в реальном времени наблюдать процесс оплавления паяльной пасты, невозможно. А потому мы разработали теорию о том, что улучшает вывод газа во время процесса оплавления.

Рис. 4. Уменьшение пустот с увеличением площади печати паяльной пасты

Рис. 5. Теория уменьшения пустот под центром площадки

а)

б) Рис. 6. Изображения и статистические данные для корпусов 48‑I/O QFN: а) нанесение паяльной пасты с увеличенной апертурой; б) процент пустот у корпусов QFN48 при изменении размера апертур площадок ввода/вывода (среднее образование пустот)

–– Будут ли уменьшаться пустоты при изменении объема паяльной пасты, наносимой на площадки заземления? –– Можем ли мы теперь добавить больше пасты на площадки заземления, чтобы увеличить высоту опорных штырей? –– Можно ли еще улучшить формы и размеры апертур площадок ввода/вывода, чтобы получить еще какие-нибудь результаты? Выводы

Больше не нужно тратить много времени и денег на преформы, улучшать профили оплавления или экспериментировать, внедряя различные инертные газы в воздушную среду, в которой происходит оплавление. Увеличение объема паяльной пасты на площадках ввода/вывода – это простой и эффективный способ уменьшения пустот, который может решить многие проблемы, возникающие в ходе производства при использовании SMT-технологий. И что самое важное, бесплатно!

Производство электроники №1 2020

М О Н ТА Ж К О М П О Н Е Н Т О В

Наша теория проиллюстрирована на рисунке 5. Контактные площадки ввода/вывода располагаются по периметру, поэтому они достигают температуры ликвидуса раньше, чем центр площадки. Припой и паста быстрее расплавляются по краям и растекаются, захватывая площадки ввода/вывода и поднимая компонент на некоторый, довольно короткий промежуток времени между расплавлением внешней и внутренней областей. Как только припой в центре площадки переходит в расплавленное состояние, корпус своим весом сплющивает его. Подъем компонента позволяет газу быстрее испариться и сосредоточиться в одном месте (под компонентом), а последующее сжатие жидкого припоя способствует быстрому выведению газа. В наших экспериментах опорные штыри располагаются в центре площадки. Различные размеры апертур не влияют значительно на их высоту. Лишнее количество паяльной пасты, нанесенное на площадки ввода/вывода, перетекает к кромкам у корпуса и в рентгеновском излучении появляется в виде темных пятен. При проведении последнего эксперимента мы создали 5760 паяных узлов и не увидели ни перемычек, ни шариков припоя даже с апертурой на 30 мил длиннее контактной площадки. Мы умышленно не делали ничего фантастического, использовали стандартные тестовые материалы и установки, популярную неочищенную паяльную пасту SAC 305 типа 4, нанесенную на шаблон толщиной 4 мил (100 мкм) из нержавеющей стали с нанопокрытием из фторполимера на обычной тестовой плате PCB2009. Применили обычный линейный профиль оплавления «наклон-пик». Большинство профилей оплавления, нацеленных на уменьшение пустот, имеют удлиненную часть теплового воздействия или зоны выдержки для испарения флюса перед тем, как припой достигнет температуры ликвидуса. Так как цель нашего исследования – оценить эффективность нанесения паяльной пасты с использованием апертур увеличенного размера для площадок ввода/вывода, то мы использовали самый простой и неприхотливый термальный профиль. Результаты рентгеновского контроля оценивались визуально и с помощью расчетов. На рисунке 6 показано изображение в рентгеновском излучении и приведены данные для корпусов 48 I/O QFN. Из полученных результатов мы делаем вывод, что предлагаемая технология по уменьшению пустот работает. И количественные измерения это подтверждают. Конечно, полученные результаты влекут за собой еще больше вопросов: –– Что будет, если попробовать другую паяльную пасту? –– Получится ли такой же результат с водорастворимой паяльной пастой? –– Будет ли профиль с большей выдержкой еще значительнее уменьшать пустоты? И насколько?

111

Экспресс-контроль элементов интегральных микросхем с использованием растровой электронной микроскопии и режима наведенного тока Александр Петлицкий, Дмитрий Жигулин, Владимир Ланин Рассмотрена методика выявления отказов элементов интегральных схем растровой электронной микроскопией в режиме наведенного тока EBIC. Данный метод является основой экспресс-контроля работоспособности ИС и отдельных интегральных элементов.

Контроль и тес тирование

Введение

Современный уровень технологий позволяет производить микроэлектронные структуры чрезвычайно малых размеров. Размер затвора современных наиболее малых массово производимых транзисторов составляет 18 нм. Надежность работы таких структур определяется не только современным уровнем развития технологии производства и квалификацией персонала, но и способами контроля работоспособности элементов интегральной электроники. Для определения значения линейных размеров в субмикронном диапазоне применяют различные виды высокоразрешающей микроскопии, такие как сканирующая зондовая микроскопия, просвечивающая электронная микроскопия, растровая электронная микроскопия, микроскопия на основе фокусированных ионных пучков и т. д. Однако, для решения задач, требующих

112

Рис. 1. Энергетическая диаграмма p-n-перехода

www.elcomdesign.ru

оперативного контроля (без специальной пробоподготовки) подходит только растровая электронная микроскопия. Перспективным методом выявления отказов, как целых блоков, так и отдельных элементов интегральных схем (ИС) является растровая электронная микроскопия в режиме наведенного тока (Electron Beam Induced Current) EBIC [1]. Данный метод широко распространен в ряде крупных компаний и применяется в качестве экспресс-контроля работоспособности ИС или отдельных интегральных элементов. Он отличается своей простотой, быстродействием и не требует специальной подготовки образцов к измерениям. Метод EBIC может использоваться для исследования элек трофизических свойств полупроводников и приборов микроэлектроники, поскольку он позволяет определить области локальных дефектов, места утечек и пробоев, а также

оценить параметры и местоположения p‑n‑переходов. Сравнительный анализ годных ИС с бракованными, позволяет определить отказавшие электронные модули, а дальнейший их детальный анализ – установить причину отказа. Таким образом, поэтапный анализ кристалла ИС позволяет не только производить отбраковку микросхем, но и выявлять место и причину отказа. Метод наведенного тока также может быть использован и для изучения электрофизических свойств полупроводниковых структур на отдельных этапах технологического процесса. Методика EBIC

При взаимодействии электронного пучка с поверхностью твердого тела происходит образование электроннодырочных пар, вызывающих генерацию тока в полупроводниках. На основе анализа распределения сигнала наведенного тока можно дать оценку различным свойствам полупроводника. На рисунке 1 показана энергетическая диаграмма p‑n‑перехода. Когда пучок электронов попадает в область p‑n‑перехода (б), то электроны и дырки, возникающие под действием электронного пучка, расходятся в разные стороны за счет электрического поля E, присутствующего в области перехода. Носители заряда, которые возникают в объеме полупроводника (а), где отсутствует электрическое поле, с большой вероятностью рекомбинируют друг с другом. Для проведения измерений и получения изображений электронный микроскоп должен быть оснащен детектором EBIC. Если подключить устройство, содер-

Рис. 2. Схема измерения полупроводниковой структуры методом EBIC

полем p‑n‑перехода [3]. Электроны или дырки, попадая в проводящую область, вызывают ток, детектируемый зондом и обрабатываемый затем усилителем. Ток, вызванный при этом, преобразовывается в напряжение, которое подается на видеоусилитель монитора микроскопа. Для проведения измерений в режиме EBIC применяют растровый электронный микроскоп РЭМ типа S‑4800 фирмы HITACHI (Япония) и четырехзондо вый наноманипулятор PS4 фирмы KLEINDIEK (Германия). На рисунке 3 показан измерительный комплекс по контролю элементов ИС методом EBIC. Экспресс–анализ отказавших кристаллов методом EBIC необходимо проводить по сравнению с заведомо годным кристаллом. Для этого вначале необходимо закрепить заведомо годный кристалл ИС на объектодержатель с помощью токопроводящего клея. Крепеж кристалла должен производиться на поднятых рабочих элементах манипулятора. Данный кристалл будет

являться эталонным, относительно которого будут сравниваться все остальные кристаллы ИС. С помощью пинцета на поднятые р аб очие эле м ен т ы м анип ул я тор а надевают заос тренные и загну тые специальные вольфрамовые иглы, после чего аккуратно опускают рабочие элементы вместе с зондами как можно ближе к поверхности кристалла, но не касаясь его. Механическим усилием сводят зонды в центр кристалла, как показано на рисунке 4. Зондодержатель с крис таллом ИС ус танав ливают в рабочую камеру электронного микроскопа (см. рис. 5). Далее поднимают столик микро скопа в м е с те с зондодерж ате ле м в максимально высокое положение (WD = 1,5 мм). Для перевода РЭМ S‑4800 в режим измерения наведенных токов в меню управления устанавливают ускоряющее напряжение 15 кВ; ток эмиссии (Ie) 10 мкА; ток образца (Probe Current) в режим High; в сигнале управления

Контроль и тес тирование

жащее p‑n‑переход к такому детектору, то на изображении станут видны области, содержащие p‑n‑переход, яркость которых будет зависеть от параметров перехода. На рисунке 2 показана схема измерения методом EBIC. В методе EBIC электронный пучок сканирует полупроводниковый образец, содержащий p‑n‑переход либо барьер Шоттки. Энергия электронов в пучке составляет от 1 до 30 кэВ, в то время как минимальная энергия, необходимая для образования электронно-дырочной пары в полупроводнике и определяемая шириной запрещенной зоны, составляет порядка 1–3 эВ. В результате воздейс твия электронного пучка в полупроводнике образуется большое число электроннодырочных пар. Электронно-дырочные пары генерируются в материале внутри ограниченного объема (объема генерации). Важными здесь являются неосновные носители заряда – электроны для полупроводника p‑типа, и дырки для полупроводника n‑типа [2]. Возбужденные пучком электроны и дырки двигаются случайно, генерируются и рекомбинируют друг с другом. Мод уль EB I C используе тс я д л я н ас т р о й к и п ар а м е т р о в уси л е н и я тока, наведенного электронным пучком, с целью получения карты тока, собранного в каж дой точке сканирования. Наведенный электронным пучком ток попадает на зонд манипулятора в выбранных областях контакта (см. рис. 2). При сканировании электронным пучком высокоэнергетические электроны инжектируются в образец, проникают через оксидные и металлические слои полупроводника до p‑n‑перехода и генерируют электронно-дырочные пары, которые разделяются внутренним электрическим

113

Рис. 3. Измерительный комплекс контроля элементов ИС методом EBIC

Производство электроники №1 2020

Контроль и тес тирование

Рис. 4. Внешний вид зондодержателя с опущенными зондами

Рис. 5. Загрузка зондодержателя в РЭМ S-4800

114

Рис. 6. Блок управления нанозондом №1

www.elcomdesign.ru

(Signal Select) выбрать SE. На левом экране появится изображение поверхнос ти крис талла в SE элек тронах. Правый экран предназначен для отображения поверхности в наведенных токах. При запуске блока управления четырехзондовым наноманипулятором на информационном экране (см. рис. 6) отобразится информация о координатах зонда (3) (начальное значение нулевое), шаге перемещения (4) и скорости передвижения (5). Начальная скорость движения по умолчанию равна 6. Это самая быстрая скорость. Она может быть понижена до 1 с помощью кнопки (1) или увеличена до 6 с помощью кнопки 2. Д ля того чтобы перевес ти блок управления в режим EBIC (см. рис. 7) необходимо переключателем режима управления (1) (Mode) выбрать режим DC (режим наведенного тока); переключателем (4) установить коэффициент усиления Gain на 7. При необходимости тонкой настройки усиления можно использовать рег улятор (3). Затем переключатель (7) перевести в положение Invert off; переключатель (8) перевести в положение Tip Volt Int; регулятор контрастности (5) (грубо) и (6) (тонко) установить в среднее положение. Для экспресс-анализа выбирают необходимую контактную площадку на кристалле и один из четырех зондов, который будет контактироваться к ней. Присоединяют выбранный зонд к блоку управления четырехзондовым наноманипулятором PS4 через входной разъем 2 и с помощью ручек CLKW (9) (движение зонда влево–вправо), UP (10) (подъем–опускание), RETRACT (11) (движение зонда вперед–назад) и кнопок (12) (увеличить скорость перемещения), (13) (уменьшить скорость перемещения) подводят зонд и касаются выбранной контактной площадки. В момент касания на правом экране монитора появятся разводы в виде полос. Кнопкой Slow (3) на экране монитора запускают минимально возможную скорость развертки; производят настройку полученной картинки в наведенном токе с помощью ручек управления (3–6) блока управления. Необходимо помнить, что чем выше коэффициент усиления сигнала, тем больше усиливаются шумы, помехи и наводки. Поэтому, предпочтение отдают не коэффициенту усиления сигнала, а величине тока, падающего на образец. Если все манипуляции проведены правильно, то должно получиться следующее изображение поверхности кристалла (см. рис. 8). Для получения изображения кристалла в режиме EBIC на данной контактной площадке на ускоряющих напряжениях 20 и 30 кВ необходимо, не поднимая

Рис. 7. Блок управления четырехзондовым наноманипулятором PS4

Рис. 8. Изображение поверхности кристалла в режиме EBIC

б) отказавший кристалл

Рис. 9. Выявление отказавшего кристалла методом EBIC

Контроль и тес тирование

а) годный кристалл

115

а) рабочий биполярный транзистор

б) отказавший биполярный транзистор

Рис. 10. Биполярный транзистор в режиме EBIC, с локализованным местом пробоя эмиттер–база

зонд, перевести РЭМ в режим 20, а затем 30 кВ. Таким образом, для каждой контактной площадки будет получено три изображения поверхности в режиме EBIC с разным ускоряющим напряжением. Далее сравнивают изображения, получен-

ные от годного кристалла, со всеми остальными кристаллами ИС. Существенные отличия в изображениях указывают на проблемные или отказавшие места микросхемы, например, повреждение проводника (см. рис. 9).

Производство электроники №1 2020

а) годный конденсатор

б) отказавший конденсатор

Рис. 11. Конденсатор в режиме EBIC с локализованным местом пробоя

Задача разбраковки топологических элементов существенно упрощается, если данные элементы находятся в тестовом модуле. В этом случае каждому элементу соответствует своя контактная площадка (либо несколько контактных площадок), что существенно уменьшает количество измерений, а значит, и время, необходимое на выявление и идентификацию отказавшего элемента. На рисунке 10 показаны рабочий и отказавший биполярные транзисторы в сравнении в режиме EBIC. На рисунке 11 показан отказавший конденсатор в сравнении с годным в режиме EBIC.

Контроль и тес тирование

Выводы

116

Экспресс-анализ методом EBIC позволяет быстро и оперативно проводить отбраковку кристаллов ИС, отделяя бракованные кристаллы. Отсутствие специальной пробоподготовки, его простота и доступность – основное преимущество данного метода анализа. Помимо сравнительного анализа годных и бракованных ИС, метод EBIC позволяет детально исследовать нерабочие места схемы и установить причину их отказа. В частности, данным методом можно определить причину выхода транзистора или диода из строя, локализо-

вать место пробоя конденсатора. Таким образом, метод EBIC может использоваться для исследования электрофизических свойств полупроводниковых приборов, определять области локальных дефектов, места утечек, пробоев, а также узнать параметры и местоположения p‑n‑переходов. Метод EBIC может быть рекомендован как неразрушающий метод экспресс-контроля работоспособности интегральных компонентов. Литература 1. Advanced Scanning Electron Microscopy Methods and Applications to Integrated Circuit Failure Analysis/Jr. Cole [and ets.]//Scanning Microscopy, 1988. № 2. 2. Исследование локальных свойств приборных структур микроэлектроники методом наведенного тока/А. Н. Антанович, А . А .  Пет рушин, Е. В.  До р о нин, А . Н.  Бу рц ев . //Ма те риа лы Международной научной конференции INTERMATIC–2016, Москва, 21–25 ноября 2016. 3. Altmann, F. Combined electron beam induced current imaging (EBIC) and focused ion beam (FIB) techniques for thin film solar cell characterization/F. Altmann, J. Schischka//Proceedings from the 36th International Symposium for Testing and Failure Analysis. 2010.

Новости рынка

| В воронежском Композитном кластере создается лаборатория композитных материалов |

На площадке строящегося завода «ИК Масловский» (торговая марка «Ламплекс Композит») по производству фольгированных диэлектриков, технических ламинатов и препрегов в воронежской ОЭЗ «Центр» завершается создание высокотехнологичной лаборатории стоимостью 15 млн рублей. Лаборатория станет основой для развития научного направления в рамках Композитного кластера. Для нее разработаны методики проведения испытаний образцов продукции, соответствующих требованиям отечественных ГОСТов и стандартам международной ассоциации производителей электроники (IPC). – Созданная лаборатория обеспечит проверку выпускаемой продукции на всех этапах производства, начиная с входного контроля основного сырья и заканчивая готовой продукцией, получаемой на выходе. Такое сопровождение производства позволит повысить качество материалов и сократить потери. Испытательная лаборатория оснащается оборудованием, позволяющим тестировать композиты как на основе стекловолокна, которые готовится выпускать предприятие «Ламплекс Композит», так и на основе углеволокна, планирующиеся к освоению на заводе «АКТ», – отметил главный технолог заводов «ИК Масловский», «АКТ» Владимир Жирнов. Он также напомнил, что материалы, произведенные предприятиями Композитного кластера, будут здесь испытываться по физико-механическим и химическим параметрам. Благодаря современному оснащению и квалифицированным сотрудникам, испытательная лаборатория внесет свой вклад в выпуск продукции, соответствующей самым высоким мировым стандартам. www.lamplex.ru

www.elcomdesign.ru

Практический опыт создания испытательных систем тестирования устойчивости к излучаемым помехам Андрей Смирнов, smirnov@dipaul.ru, Константин Басалаев, bk@dipaul.ru, Юрий Занин, ZaninJuM@dipaul.ru Актуальность электромагнитной совместимости (ЭМС) технических средств различного назначения постоянно возрастает в связи с активным расширением используемого диапазона частот и перечня решаемых функциональных задач, связанных не только с улучшением комфорта повседневной жизни, но и с обеспечением надежности технических средств и безопасности повседневной жизни. Оценка характеристик ЭМС применительно к общепромышленной продукции является обязательной процедурой подтверждения соответствия с техническим регламентом ТР ТС № 20 «Электромагнитная совместимость технический средств». Для других продуктов обязательность выполнения требований ЭМС отражена в технических заданиях на их разработку.

Контроль и тес тирование

Теоретическая подготовка

118

Испытания технических средств (ТС) на электромагнитную совместимость (ЭМС) включают четыре группы испытаний. Эти четыре группы предполагают испытания на эмиссию и устойчивость относительно кондуктивных и излучаемых помех. Иногда в отдельную группу выделяют тестирование устойчивости и эмиссии относительно качества сети питания. Независимо от видов испытываемых ТС, регламентируемых соответствующими стандартами по нормам и методам испытаний, каждая группа стандартов в той или иной степени содержит все четыре типа испытаний. Объяснимо, что испытательные лаборатории желали бы иметь в своем составе весь комплекс испытательного оборудования и средств измерений. В то же время, понимая разную стоимость технического оснащения под различные группы испытаний, организаторы лабораторий обычно начинают с наиболее бюджетной части, относящейся с кондуктивным помехам. Инструментальное обеспечение испытаний ЭМС, касаемого излучаемых помех, чрезвычайно затратно материально. Особенно это относится к тестированию устойчивости ТС к излучаемым помехам. Поэтому при формировании требований к характеристикам воспроизводимых полей заказчики исходят из двух критериев: -- охват требований наибольшего количества стандартов по нормам и методам испытаний для выбранного частотного диапазона;

-- возможность рационального наращивания оснащенности испытательной лаборатории относительно частотного диапазона испытаний в перспективе. Традиционная схема испытательной установки обычно включает цепь генератор – усилитель мощности – антенна. Но в последнее время активно развиваются альтернативные схемы испытательных систем. Такие схемы, основанные, в частности, на GTEM-камерах или реверберационных камерах, обеспечивают минимизацию финансовых затрат при решении задач тестирования малогабаритных объектов с максимальным габаритным объемом до 1 м3. Для универсальных испытательных установок, не имеющих ограничений по габаритным размерам объектов испытаний, традиционная схема является предпочтительной. При создании традиционной схемы испытательной установки первичным критерием формирования перечня испытательного оборудования является выбор частотного диапазона испытаний (с учетом перспективы усложнения задач желательно закладывать максимально широкий диапазон), и уже потом – уровня создаваемых воздействий. В определенной степени это обусловлено тем фактом, что, по мнению заказчика, недостающие уровни воздействий могут быть легко достигнуты уменьшением расстояния до объекта испытаний или подбором соответствующей излучающей антенны. При этом необходимое расширение частотного диапазона установки может быть обеспечено внедрением такого дополнительного оборудования, как антенны или

Таблица 1. Требования к испытаниям для различных стандартов Нормативный документ

ГГц

Жесткость, В/м

Модуляция

Вариации, дБ

Коэффициент

Тестовое расстояние

ГОСТ IEC 61000–4–3

0,08–6

АМ: 1 кГц & 80%; Меандр: 200 Гц & 100%; ИМ: 0,6 & 5 мс + 1 Гц; ИМ: 0,4 & 10 мс + 1 Гц

0…+6

3,6

Не менее 1 м, предпочтительно 3 м

Автотехника

Правила № 10 ЕЭК ООН

0,02–2

АМ: 1кГц&80% (< 0.8ГГц); ИМ: 0,6 & 4,6 мс (< 0,8 ГГц)

–

2 м, опорная точка

Авионика

RTCA KT DO 160

0,1–1; 1–18

< 240; < 490

АМ: 1 кГц& < 90%; Меандр: 1 кГц& < 90%); ИМ: 1/4 мкс & 1 мс + 1 Гц

0…–3

Не далее 1 м, или в дальней зоне

Бортовая авионика

ГОСТ РВ 6601–001

0,002; –18

200

Меандр:1 кГц

0…–3

1 м, для < 200 МГц – точка

Оборонная отрасль

MIL STD 461G

–40

200

Меандр:1 кГц

0…–3

1 м, для < 200 МГц – точка

Объекты Промышленная продукция

www.elcomdesign.ru

усилители мощности под новые частотные диапазоны. В итоге изначально приобретается широкополосный генератор, а затем по мере расширения оснащенности, приобретаются антенны и усилители мощности. В таблице 1 сведены требования основных продуктовых стандартов по уровням создаваемых облучаемых электромагнитных полей [1–4]. При анализе таблицы 1 видно, что при подборе элементов испытательной установки показатели жесткости испытаний не всегда являются достаточными для выбора аппаратуры, в частности усилителя мощности и излучающих антенн. В общем случае необходимо принимать во внимание характер модуляции воздействия и требования к характеру и допустимым значениям вариации поля, чтобы учитывать именно максимальное значение (экстремальное значение) создаваемого поля. В тоже время можно констатировать, что обеспечение испытаний в диапазоне 100 МГц…18 ГГц с уровнями воздействия 200 В/м закроет практически весь объем испытаний, исключая диапазон частот 18–40 ГГц. Практический подход

, где E – напряженность электрического поля, R – расстояние от антенны, P – подводимая мощность, G – коэффициент усиления антенны.

Диапазон частот

Напряженность поля

100–400 МГц

150 В/м

400–700 МГц

50 В/м

700 МГц – 1 ГГц

100 В/м

1–2 ГГц

200 В/м

2–4 ГГц

200 В/м

4–6 ГГц

200 В/м

6–8 ГГц

200 В/м

8–12 ГГц

300 В/м

12–18 ГГц

200 В/м

18–40 ГГц

150 В/м

Измерительное расстояние

3м

Данное выражение позволяет оценить минимально необходимую излучаемую мощность, обеспечивающую требуемую напряженность поля. Оценочное значение является необходимым ориентиром при выборе усилителя мощности. При этом важными являются следующие обстоятельства: -- данное значение выходной мощности должно соответствовать линейному режиму работы усилителей. Часто в спецификациях и названиях моделей производители указывают максимальную мощность, в том числе и в режиме насыщения; -- характерные границы частотного диапазона выбирались, исходя из требований к частотному диапазону испытаний под различные стандарты. Это обеспечивает рациональную эксплуатацию установки в случае ограниченного применения по частот. В итоге рассматривались усилители мощности с верхними частотами из ряда 1 ГГц, 3 ГГц, 6 ГГц, 18 ГГц, 26 ГГц, 40 ГГц или схожих значений; -- усилители мощности должны иметь встроенные каналы отвода падающей и отраженной мощности, возможность индикации уровней падающей и отраженной мощности. Это позволяет проводить калибровку системы по воздействию без использования внешних дополнительных двухсторонних направленных ответвителей, вносящих дополнительное ослабление; -- усилители мощности должны иметь защиту от высокого КСВН по входу с возможностью сохранения режима усиления сигнала. Это связано с возможностью попадания отраженного от объекта сигнала на выходные разъемы усилителей, что небезопасно для их работы. Большинство современных усилителей имеет встроенную защиту по большому КСВН на выходе, но часто это всего лишь предохранительный режим с переводом усилителя в «режим ожидания». Относительно выбора излучающих антенн основными критериями при выборе были частотный диапазон, коэффициент усиления, допустимая входная мощность, значения КСВН.

Таблица 3. Основные элементы созданной испытательной системы Тип Генератор сигналов

Модель

Производитель

E8267D

Keysight

Излучающие антенны

STLP9128DS, наборы антенн (рупорные: оптимальные и неоптимальные)

Schwarzbeck, ATM

Усилители мощности

SVC2000 (100–500 МГц, 2000 Вт), S2505-1000 (500–2500 МГц, 1000 Вт), GT825-500 (2,5–8 ГГц, 500 Вт), GT188-500 (8–18 ГГц, 500 Вт), T2618-100 (18–26 ГГц, 100 Вт), T4026-100 (26–40 ГГц, 100 Вт)

IFI

HI-6153 ( 10 МГц…40 ГГц), ETS Lindgren

ETS Lindgren

Пробник электрического поля Коммутатор Мобильные стойки Программное обеспечение

RFB6000, c опциями до 40 ГГц

TESEQ/AMETEK

6 шт., на колесах, с амортизирующей рамой, варианты применения: открытые/полуоткрытые/закрытые

AMETEK

Compliance 5 ( тестирование устойчивости по различные стандарты)

TESEQ

Производство электроники №1 2020

Контроль и тес тирование

Задача по созданию испытательной системы тестирования устойчивости к сильным электромагнитным полям была поставлена одним из заказчиков компании «Диполь» (причем включая и диапазон 18–40 ГГц). Основный же акцент делался на выполнение требований по тестированию авиационной продукции [2]. Требования данного задания указаны в таблице 2. Особенностями задачи являлись следующие условия: -- традиционная конфигурация испытательной системы: «генератор – усилитель – антенна»; -- требуемые жесткости испытаний необходимо было создавать на удалении 3 м; -- требования к однородности поля отсутствовали, то есть не было ограничений на время проведения испытаний (количество позиций объекта при испытаниях); -- оптимальные количество и спецификации усилителей – то есть заказчик должен был иметь возможность использовать в конкретном случае только тот набор усилителей по частотному диапазону, который соответствует данной задаче испытаний. Поскольку конфигурация испытательной установки была определена как традиционная, то основное внимание уделялось выбору элементов этой системы, в первую очередь, усилителей мощности и излучающих антенн. Наиболее важной задачей явился подбор усилителей мощности. Общим выражением, связывающим мощность и создаваемое электромагнитное поле, является оценочная формула следующего вида:

Таблица 2. Требования технического задания

119

Рис. 1. Общий вид предложенной системы

Контроль и тес тирование

В итоге перечень основных элементов системы составили средства измерений и оборудование, приведенные в таблице 3. Используемые усилители мощности отличает существенная физическая масса. Для удобства эксплуатации усилители мощности вместе с локальными коммутаторами были размещены в мобильные стойки. Отдельная стойка содержала общие для всех генератор сигнал и общий коммутатор. Поскольку усилители мощности имеют достаточно высокое усиление порядка 50 дБ, то такая компоновка позволила размещать генераторную стойку далеко от рабочих усилителей мощности (см. рис. 1, 2). При этом излучающие антенны были размещены в непосредственной близости от соответствующих по частотному диапазону усилителей мощности. В результате пользователю системы достаточно было перемещать только необходимую для работы стойку с усилителем мощности. По завершению монтажа системы были проведены приемочные испытания. Результаты испытаний показали рациональный выбор конфигурации системы и соответствие реальных характеристик создаваемых воздействий требованиям технического задания, причем с запасом по полю в 1,3–1,5 раз по различным частотным диапазонам. Учитывая то, что выбранные усилители являются экземплярами из ряда усилителей мощности одинакового частотного диапазона, но разной выходной мощности, подобная конфигурация может быть использована для создания испытательной системы с меньшими значениями создаваемых электромагнитных полей, без изменений.

120 Рис. 2. Одна из стоек системы

Основные проблемы при создании сильного электромагнитного поля связаны с частотным диапазоном в пределах 100 МГц. Для обеспечения запаса по энергетике для этого частотного диапазона были выбраны так называемые сложенные антенны, фактически представляющие решетку из двух компланарных антенн. В то же время для диапазона частот выше 18 ГГц были выбраны различные комплекты оптимальных и неоптимальных рупорных антенн. Поскольку в этом частотном диапазоне направленные свойства антенн проявляются существенно, то различные типы облучающих антенн позволяют пользователю оптимизировать конфигурацию системы за счет выбора антенн, обеспечивающих минимизацию времени тестирования при последовательном облучении.

www.elcomdesign.ru

Литература 1. ГОСТ IEC 61000–4-3–2016 Электромагнитная совместимость (ЭМС). Часть 4–3. Методы испытаний и измерений. Испытание на устойчивость к излучаемому радиочастотному электромаг‑ нитному полю. 2. Квалификационные требования КТ‑160D. Условия эксплуата‑ ции и окружающей среды для бортового авиационного оборудова‑ ния (Внешние воздействующие факторы – ВВФ). Требования, нормы и методы испытаний. 3. Правила ЕЭК ООН N 10 (пересмотр 5). Единообразные пред‑ писания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении электромагнитной совместимости. 4. Mil-std‑461g, department of defense interface standard: requirements for the control of electromagnetic interference characteristics of subsystems and equipment (11.12.2015).