ekis012020 by leshabarad

ISSN 1817-2369

№ 1 (229) Январь-март 2020 Electronic Components and Systems

ToF-технологии определения расстояния

В номере: • Размещение развязывающего конденсатора на печатной плате • Источник питания с низким уровнем электромагнитных помех • Оперативный мониторинг и диагностика состояния машин и механизмов в процессе эксплуатации • Особенности применения ToF-технологии для измерения расстояния • Управление SPI-интерфейсом микроконтроллера • GOWIN: новое имя на рынке FPGA • Электромеханические реле производства компании Omron • Технология Li-Fi как альтернатива Wi-Fi • Мощный драйвер светодиодов компании Mean Well – XLG-240 • Неизолированные DC/DC-преобразователи компании Mean Well • DC/DC-преобразователи Silent Switcher®2 компании Analog Devices

КОНТРАКТНОЕ ПРОИЗВОДСТВО ЭЛЕКТРОНИКИ Полный цикл контрактного производства электроники: • проектирование и изготовление печатных плат и трафаретов по стандарту IPC-A-600J • комплексная поставка комплектующих элементов • автоматизированный монтаж компонентов по технологии SMT и THT, включая монтаж в азотной среде, в соответствии со стандартом IPC-A-610G (до 2 500 000 SMD компонентов в сутки) • монтаж печатных плат любой сложности при серийном и мелкосерийном производстве • нанесение лазерной маркировки на печатные платы • 100% автоматический оптический контроль качества монтажа • внутрисхемный контроль готовых изделий • нанесение акриловых, силиконовых, полиуретоновых конформных (защитных) покрытий • проведение климатических испытаний • проведение механических испытаний на вибростенде • резка и зачистка проводов, обжимка контактов, изготовление кабельных жгутов. Cистема менеджмента качества фирмы сертифицирована на соответствие требованиям стандартов ISO 9001:2015, ISO 14001:2015, IATF 16949:2016 и ISO 13485:2016.

Автоматизированная пайка выводных компонентов выполняется на установке селективной пайки PowerSelective производства компании SEHO. Пайка выполняется мини-волной в азотной среде. Скорость пайки 1...5 секунд на точку. Скорость пайки разъемов 3 мм в секунду. Украина, 03061, Киев, ул. Михаила Донца, 6

тел./факс: (044) 201 0202, (057) 719-6718, (0562) 319-128, (095) 283-8246, (048) 734-1954, (095) 274 6897, info@vdmais.ua; www.vdmais.ua

№ 1, январь-март 2020

СОДЕРЖАНИЕ В ПОМОЩЬ РАЗРАБОТЧИКУ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ И СИСТЕМЫ 2020 январь-март № 1 (229) МАССОВЫЙ НАУЧНО ТЕХНИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ Учредитель и издатель: НАУЧНО ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ФИРМА VD MAIS Зарегистрирован Министерством информации Украины 24.07.96 г. Свидетельство о регистрации: серия КВ, № 2081Б Издается с мая 1996 г. Подписной индекс 40633 Директор фирмы VD MAIS: В.А. Давиденко Главный редактор: В.А. Романов Редакционная коллегия: В.А. Давиденко В.В. Макаренко В.Р. Охрименко Д р Илья Брондз, факультет биологии Университета г. Осло, Норвегия

Ф. Достал Как следует размещать развязывающий конденсатор на печатной плате импульсного преобразователя напряжения ..................................................................3 Б. Вагхмаре, Д. Кэри Можно ли спроектировать источник питания с низким уровнем электромагнитных помех для размещения на печатной плате с плотной компоновкой электронных компонентов? . ............4 С. Сервис Оперативный мониторинг и диагностика состояния машин и механизмов в процессе эксплуатации ..........................11 К. Слаттери, Ю. Шида Особенности применения ToF-технологии для измерения расстояния........ ..........................................................15 С. Кси Управление SPI-интерфейсом микроконтроллера для обеспечения доступа к нестандартному SPI-интерфейсу АЦП ....................................................24 НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ В. Котигорошко GOWIN: новое имя на рынке FPGA ......................................29 В. Макаренко Электромеханические реле производства компании Omron ...............................................................39 НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Адрес редакции: Украина, Киев, ул. М. Донца, 6 Тел.: (0 44) 492 8852, 201 0202 Факс: (0 44) 202 1110 E mail: ekis@vdmais.ua Интернет: www.vdmais.ua www.ekis.kiev.ua Адрес для переписки: Украина, 03061 Киев, ул. М. Донца, 6

В. Макаренко Технология Li-Fi как альтернатива Wi-Fi ................................46 ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ В. Котигорошко Новый мощный драйвер светодиодов компании Mean Well – XLG-240 ........................................................53 В. Котигорошко Неизолированные модульные DC/DC-преобразователи компании Mean Well ..........................................................56 В. Макаренко DC/DC-преобразователи Silent Switcher®2 компании Analog Devices .................................................................59

Перепечатка опубликованных в журнале материалов допускается c разрешения редакции. За рекламную информацию ответственность несет рекламодатель.

CONTENTS

ASK THE APPLICATIONS ENGINEER

No. 1, January-March 2020

F. Dostal Bypass Capacitor and Coupling Capacitor: Stabilizing Voltage the Right Way ................................................ 3

ELECTRONIC COMPONENTS AND SYSTEMS January-March 2020 No. 1 (229)

B. Waghmare, D. Carey Is It Possible to Fit Low EMI Power Supplies onto Crowded Boards? .................................................................. 4

Scientific and Technical Journal

S. Servis The Wearable for Machine Health: Condition-Based Monitoring ............................................................ 11 C. Slattery, Y. Shida ADI ToF Depth Sensing Technology: New and Emerging Applications in Industrial, Automotive Markets, and More .. 15 S. Xie Manipulating MCU SPI Interface to Access a Nonstandard SPI ADC ................................................................ 24 NEW COMPONENTS

V. Kotigoroshko GOWIN: new FPGA market name ..................................29

V. Makarenko Omron electromechanical relays ..................................39

Founder and Publisher: Scientific Production Firm VD MAIS Director V.A. Davidenko Head Editor V.A. Romanov Editorial Board V.A. Davidenko V.V. Makarenko V.R. Okhrimenko Dr. Ilia Brondz, Department of Biology, University of Oslo, Norway

NEW TECHNOLOGIES

V. Makarenko Li-Fi technology as an alternative to Wi-Fi ......................46 POWER SUPPLIES

V. Kotigoroshko New Mean Well LED power supply: XLG-240....................53

V. Kotigoroshko Non-isolated DC/DC: NID35/65/100 ............................56

V. Makarenko Silent SwitcherÂ®2 DC/DC Converters from Analog Devices.. 59

Address: M. Dontsia Str., 6, 03061 Kyiv, Ukraine Tel.: (380 44) 201 0202, 492 8852 (multichannel) Fax: (380 44) 202 1110 E mail: ekis@vdmais.ua Web address: www.vdmais.ua www.ekis.kiev.ua Printed in Ukraine

№ 1, январь-март 2020

В ПОМОЩЬ РАЗРАБОТЧИКУ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

КАК СЛЕДУЕТ РАЗМЕЩАТЬ РАЗВЯЗЫВАЮЩИЙ КОНДЕНСАТОР НА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЕ ИМПУЛЬСНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ * INDUCTOR CURRENT MEASUREMENT IN SWITCHED POWER SUPPLIES азвязывающие конденсаторы используются в источниках питания для фильтрации помех и стабилизации их работы. Особенности размещения развязывающих конденсаторов на печатной плате рассмотрены в настоящей публикации. Ф. Достал

ypass capacitors are frequently needed in electronics development. It has to support the switched currents on the input path so that the supply voltage is stable enough to enable operation. Features of their placement on a printed circuit board are discussed in this publication.

Аbstract –

На рис. 1 приведена схема понижающего преобразователя ADP2441 с развязывающим конденсатором CBYP на входе. Одним из основных требований к выбору типа этого конденсатора и его размещению на печатной плате является обеспечение минимально возможной паразитной индуктивности выводов, а также проводников на печатной плате, так как большая индуктивность может привести к потере устойчивости преобразователя.

Рис. 1. Схема включения понижающего преобразователя ADP2441 с развязывающим конденсатором CBYP на входе С этой точки зрения важным является оптимальное размещение развязывающего конденсатора на печатной плате. Слева на рис. 2 показано, как развязывающий конденсатор подключается к ИМС преобразователя с помощью тонких печатных проводников, что снижает эффективность от его применения за счет высокой паразитной индуктивности этих проводников. На рис. 2 справа показано, как подключить этот же конденсатор к ИМС преобразователя, обеспечив при этом минимально возможную паразитную индуктивность проводников на печатной плате. Кроме того, на рис. 2 справа показано, что контакты ИМС VIN и GND расположены

F. Dostal ближе друг к другу, чем в аналогичной конструкции печатной платы слева. Конструкция печатной платы на рис. 2, справа, позволяет уменьшить площадь контура между конденсатором и интегральной схемой.

Рис. 2. Два способа подключения развязывающего конденсатора к ИМС Отметим, что, исходя из тех же соображений (минимизации паразитной индуктивности), рекомендуется размещать конденсатор и ИМС на одной и той же стороне печатной платы. Если это выполнить затруднительно, для установки конденсатора используются металлизированные переходные отверстия, как показано на рис. 3a, б, в и г. Вариант подключения конденсатора, приведенный на рис.3а наименее эффективен с точки зрения минимизации паразитной индуктивности печатных проводников. Наилучшим является вариант, приведенный на рис. 3в, однако не всегда имеется возможность размещать переходные отверстия непосредственно под элементом на печатной плате. Если позволяет кон-

* F. Dostal. Bypass Capacitor and Coupling Capacitor: Stabilizing Voltage the Right Way. https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/tech-articles/Bypass-Capacitor-and-Coupling-CapacitorStabilizing-Voltage-the-Right-Way.pdf. Сокращенный перевод с английского и комментарии В. Романова. e mail: ekis@vdmais.ua

В ПОМОЩЬ РАЗРАБОТЧИКУ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

а)

в)

б)

г)

Рис. 3. Варианты размещения переходных отверстий на печатной плате для установки развязывающего конденсатора

№ 1, январь-март 2020

мещение конденсатора, как показано на рис. 3г. Для обеспечения устойчивой работы импульсных преобразователей напряжения следует внимательно отнестись к топологии печатной платы, включая оптимизацию выбора и установки развязывающего конденсатора. Это позволяет свести к минимуму паразитную индуктивность выводов конденсатора и проводников на печатной плате при его подключении к ИМС, и тем самым повысить устойчивость работы преобразователя в целом.

струкция, может быть использовано боковое раз-

МОЖНО ЛИ СПРОЕКТИРОВАТЬ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ С НИЗКИМ УРОВНЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ НА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЕ С ПЛОТНОЙ КОМПОНОВКОЙ ЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ? * алые размеры печатной платы, ограниченные сроки, как правило, отводимые на разработку источника питания, жесткие требования к уровню электромагнитных помех, разработанные МеждуIS IT POSSIBLE TO FIT LOW EMI POWER SUPPLIES народным комитетом по радиопомехам, такие как ONTO CROWDED BOARDS? CISPR 32 и CISPR 25, являются теми факторами, которые затрудняют проектирование источников пиimited and shrinking board real estate, tight design cyАbstract – тания с высокой эффективностью и хорошими тепcles, and stringent electromagnetic interference (EMI) ловыми характеристиками. В этой публикации расspecifications, such as CISPR 32 and CISPR 25, are limitaсматривается стратегия снижения электромагнитtions that make it difficult to produce power supplies that feaных помех и повышения эффективности источников ture high efficiency and good thermal performance.This artiпитания, устанавливаемых на печатную плату с cle addresses EMI reduction strategies, presenting a solution плотной компоновкой электронных компонентов. to reduce EMI, maintain efficiency, and fit power supplies into limited solution volumes. Б. Вагхмаре, Д. Кэри B. Waghmare, D. Carey

Электромагнитные помехи (EMI, Electromagnetic Interference), а также RFI (Radio Frequency Interference) – это воздействие электрических, магнитных или электромагнитных полей, которое нарушает нормальную работу технических средств, или вызывает ухудшение технических характеристик и параметров этих средств. Борьба с электромагнитными помехами – важная задача проектирования и производства автомобильного, медицинского, контрольно-измерительного и другого электронного оборудования. Уровень помех растет с уве-

личением производительности, плотности компоновки, повышением частоты коммутации и увеличением тока нагрузки импульсных источников питания. При проектирования таких источников необходимо руководствоваться требованиями международных стандартов к электромагнитной совместимости. Без выполнения этих требований невозможно поставлять изделия на мировые рынки. Электромагнитные помехи могут проникать в устройство по цепям питания – кондуктивные помехи (Conducted EMI) и в виде наводок, как паразитное излучение –

* Waghmare B., Carey D. Is It Possible to Fit Low EMI Power Supplies onto Crowded Boards? Analog Dialogue, N 3, Volume 53, 2019. Сокращенный перевод с английского и комментарии В. Романова.

www.ekis.kiev.u

№ 1, январь-март 2020

В ПОМОЩЬ РАЗРАБОТЧИКУ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

радиационные помехи (Radiated interference). Кондуктивные помехи имеют частотный диапазон от 450 кГц до 30 МГц и проникают в изделие через паразитные импедансы, цепи питания и заземления. Их можно представить в виде синфазной и дифференциальной помехи (помехи общего и нормального вида). Синфазная помеха передается через паразитную емкость и может быть представлена выражением C×dV/dt. Она следует от источника сигнала (положительной или отрицательной полярности) к земляной шине через паразитную емкость, как показано на рис. 1. Дифференциальная помеха передается через паразитную индуктивность (магнитную связь) и может быть представлена выражением L×di/dt, как.показано на рис. 1.

Рис. 1. Помехи синфазные и дифференциальные Излучаемые помехи занимают полосу от 30 МГц до 1 ГГц. Основным источником высокочастотных помех в современной аппаратуре, как правило, является импульсный преобразователь напряжения. Основные методы ослабления этих помех представлены ниже: 1. Оптимизация компоновки. Тщательная компоновка блока питания так же важна, как и выбор специальных компонентов для источника питания. Оптимальная компоновка во многом зависит от опыта разработчика источника питания. Эта процедура является итеративной. Опытный разработчик минимизирует количество итераций, сокращая таким образом время проектирования источника питания. 2. Использование демпфирующего RC-фильтра в коммутаторе импульсного источника питания, основного источника помех. Это уменьшает уровень помех коммутатора, но приводит к увеличению потерь, что уменьшает эффективность источника питания в целом. 3. Снижение скорости нарастания фронтов управляющих сигналов в коммутаторе тоже приводит к уменьшению уровня помех. К сожалению, как и применение RC-фильтра, это снижает эффективность источника питания. e mail: ekis@vdmais.ua

4. Применение частотной модуляции с расширенным спектром (Spread spectrum frequency modulation – SSFM): эта функция реализована во многих импульсных преобразователях питания компании Analog Devices и обеспечивает успешное прохождение испытаний источников питания на соответствие требованиям стандартов на электромагнитную совместимость. В этих источниках питания частота переключения коммутатора модулируется в известном диапазоне (например, с отклонением ±10% от запрограммированного значения fSW). Это помогает распределить пиковую энергию шума в более широком частотном диапазоне. 5. Применение фильтров и экранирования: фильтры и экранирование увеличивают стоимость и габариты проектируемого устройства. Они также усложняют изготовление устройств в серийном производстве. Отметим, что перечисленные способы позволяют снизить уровень шумов, генерируемых импульсными источниками питания, но каждый из них не свободен от недостатков. Минимизация шума при проектировании источника питания, как правило, является самым надежным путем его ослабления, Преобразователи компании Analog Devices семейства Silent Switcher® и Silent Switcher 2 обеспечивают низкий уровень излучаемых помех, при этом не требуют дополнительной фильтрации, экранирования или значительных итераций при их компоновке. Это позволяет без удорожания и увеличения габаритов проектируемого устройства ускорить его выход на рынок. Еще одним методом уменьшения электромагнитных помех является минимизация токовых контуров (петель). Чтобы уменьшить электромагнитные помехи, необходимо определить горячую токовую петлю (петлю с высоким di/dt) в цепи электропитания и уменьшить ее влияние на соседние узлы. Такой горячий контур показан на рис. 2. В первом цикле стандартного понижающего преобразователя переменный ток проходит через синий контур с замкнутым ключом M1 и разомкнутым ключом M2. Во время второго цикла с разомкнутым ключом M1 и замкнутым ключом M2 ток проходит через зеленый контур. При этом контур, создающий самый высокий уровень электромагнитных помех, это фиолетовый контур, в котором переменный ток переключается с нулевого значения на максимальное IPEAK и обратно. Этот контур называется горячим контуром, потому что он излучает наибольшую энергию переменного тока, и, следо-

В ПОМОЩЬ РАЗРАБОТЧИКУ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

№ 1, январь-март 2020

Рис. 2. Горячие контура в понижающем преобразователе источника питания вательно, и максимальную электромагнитную помеху. Чтобы уменьшить уровень электромагнитных помех, необходимо максимально уменьшить излучающий эффект горячего (в нашем случае фиолетового) контура. Излучение горячего контура увеличивается вместе с его площадью. Поэтому уменьшение площади горячего контура на печатной плате до нуля и использование идеального конденсатора с нулевым импедансом (на сколько это возможно) может решить проблему минимизации помех, излучаемых источником питания. Понятно, что уменьшить площадь горячего контура до нуля практически невозможно. Но его можно разделить на две части с противоположными полярностями тока (рис. 3). Это приведет к образованию двух электромагнитных полей эффективно подавляющих друг друга. Данный эффект получил название эффекта магнитного гашения. На его основе построены импульсные преобразователи напряжения компании Analog Devices семейства Silent Switcher. Еще один способ снижения электромагнитных помех заключается в уменьшении длины выводов ИМС, охваченных горячим контуром. Он получил название метода перевернутого чипа или кристалла (Flip Chip method). Применение это метода установки кристалла в ИМС (рис. 4, 5) минимизирует площадь горячих контуров за счет сокращения расстояния от кристалла до пассивных компонентов. (Примечание: Монтаж методом перевернутого чипа, рис. 5, имеет особые преимущества в случае применения интегральных схем с высокой степенью интеграции. Метод экономичен, надежен с точки зрения термических и механических напряжений, делает возможной сборку интегральных схем на обычной подложке и обеспечивает высокую плотность компоновки проектируемого устройства).

Рис. 3. Принцип магнитного гашения помех в преобразователях напряжения семейства Silent Switcher

Рис. 4. Традиционные проволочные выводы кристалла в корпусе на примере разобранной ИМС LT8610 На рис. 6 показана схема включения и расположение на печатной плате импульсного преобразователя напряжения семейства Silent Switcher. Как видно из рисунка, конденсаторы на выводах входного напряжения VIN1, VIN2 расположены симметрично друг относительно друга. Такое расположение в соответствии с технологией Silent Switcher обеспечивает взаимное ослабление электромагнитного поля горячего контура. Если внешним монтажом такую симметрию обеспечить затруднительно, следует использовать импульсные преобразователи напряжения семейства Silent Switcher 2 (рис. 7). Согласно технологии Silent Switcher 2 симметwww.ekis.kiev.u

№ 1, январь-март 2020

В ПОМОЩЬ РАЗРАБОТЧИКУ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Рис. 5. Сборка кристалла методом перевернутого чипа

Рис. 6. Типовая схема включения импульсного преобразователя напряжения семейства Silent Switcher и расположение этого преобразователя на печатной плате

Рис. 7. Типовые схемы включения импульсных преобразователей напряжения семейств Silent Switcher и Silent Switcher 2 (справа) рично рассоложенные конденсаторы встроены непосредственно в корпус ИМС преобразователя LQFN, рис. 8. Они расположены в непосредственной близости от соответствующих выводов ИМС. Все горячие контура в этом случае являются внутренними, что обеспечивает минимизацию излучаемых электромагнитных помех и уменьшение занимаемой на печатной плате площади под данную ИМС. Преобразователи, выполненные по технологии Silent Switcher 2, имеют улучшенные тепловые характеристики. Большие контактные площадки с несколькими заземлениями, сборка кристалла в корпусе LQFN методом перевернутого чипа увеличиe mail: ekis@vdmais.ua

Рис. 8. Расположение конденсаторов внутри корпуса ИМС преобразователя напряжения LT8640S семейства Silent Switcher 2 вают отвод тепла из ИМС. Более высокая эффек-

В ПОМОЩЬ РАЗРАБОТЧИКУ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

тивность преобразователя является следствием отказа от проволочных соединений внутри ИМС, имеющих сравнительно высокое сопротивление. При тестировании на уровень излучаемых электромагнитных помех ИМС LT8640S показала отличные результаты. Пиковые значения амплитуды помех, излучаемых этой ИМС, во много раз ниже разрешенных стандартом CISPR 25 Class 5. Использование технологии Silent Switcher совместно с технологией µModule® позволило создать источники питания с высокой надежностью, точностью и эффективностью, отличающихся низким уровнем излучаемых помех. На рис. 9 показана конструкция такого источника и диаграмма излучаемых им электромагнитных помех. В быстродействующих АЦП применяется несколько уровней напряжения питания, каждый из источников которых должен иметь низкий уровень шумов. Общепринятым решением является объединение импульсного преобразователяа напряжения с LDO-стабилизатором (стабилизатором с ма-

№ 1, январь-март 2020

лым падением напряжения на регулирующем транзисторе), как показано на рис. 10. Импульсный преобразователь обеспечивает необходимое значение напряжения, но создает достаточно большой уровень шумов на выходе. LDO-стабилизатор имеет относительно невысокую эффективность, но он может подавлять большую часть шума, генерируемого импульсным преобразователем. Совместное использование двух типов источников питания – импульсного преобразователя и LDO-стабилизатора напряжения обеспечивает АЦП напряжением питания необходимого качества. Однако недостатком такого решения является увеличение габаритов конечного устройства и необходимость отвода дополнительного тепла, выделяемого этими ИМС. В источнике питания на рис. 10 приоритетом является низкий уровень шумов в цепях питания, в то же время этот источник имеет сравнительно большие габариты. Кроме того, дополнительный отвод тепла требует усложнения конструкции источника

Рис. 9. Внутренняя конструкция ИМС источника питания LTM8053 семейства Silent Switcher и спектр излучаемых источником питания электромагнитных помех

Рис. 10. Типовая схема источника питания для АЦП AD9625

www.ekis.kiev.u

№ 1, январь-март 2020

В ПОМОЩЬ РАЗРАБОТЧИКУ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

питания. Источник питания, построенный с использованием технологий Silent Switcher и µModule, совмещает в себе преимущества импульсного стабилизатора и стабилизатора напряжения с низким уровнем шумов, при этом такой источник имеет приемлемые габариты, простую конструкцию и высокую эффективность. Отметим, что сразу несколько стабилизаторов напряжения может питаться от одного стабилизатора типа µModule, что позволяет уменьшить габариты источника питания в целом. Схема такого источника питания приведена на рис. 11. Схемы источников питания, приведенные на рис. 10, 11, были протестированы в следующих конфигурациях: • стандартная конфигурация с использованием импульсного и LDO-стабилизатора для питания АЦП (рис. 10) • использование стабилизатора LTM8065 для непосредственного питания АЦП без фильтрации выходного напряжения • использование стабилизатора LTM8065 с включением выходного LC-фильтра (рис. 11). Результаты измерения динамического диапазона неискаженного сигнала (SFDR) и отношения сигнал/шум от полной шкалы (SNRFS) АЦП показали, что стабилизатор напряжения LTM8065 можно непосредственно использовать для питания АЦП без

ущерба для его производительности. Достоинством такого решения является значительное уменьшение количества внешних компонентов, что упрощает схему источника питания и приводит к уменьшению площади печатной платы устройства в целом.

ВЫВОДЫ Новые технологии Silent Switcher и µModule компании Analog Devices для построения источников питания имеют следующие преимущества: • экономят время проектирования печатной платы • позволяют отказаться от использования дополнительных фильтров для ослабления электромагнитных помех, что приводит к уменьшению размеров печатной платы проектируемого устройства • обеспечивают высокую эффективность в широком диапазоне рабочих частот • позволяют исключить дополнительный LDOстабилизатор при питании чувствительных к шуму устройств • сокращают время проектирования устройства в целом • имеют высокую эффективность при использовании минимальной площади печатной платы • имеют хорошие тепловые характеристики.

Рис. 11. Схема источника питания АЦП AD9625 на основе ИМС LTM8065, выполненной по технологи Silent Switcher и µModule

e mail: ekis@vdmais.ua

№ 1, январь-март 2020

В ПОМОЩЬ РАЗРАБОТЧИКУ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

ОПЕРАТИВНЫЙ МОНИТОРИНГ И ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ * ониторинг состояния машин и механизмов является аналогом функций, выполняемых носимыми фитнес-устройствами. В промышленных системах одним из важных процессов является процесс старения оборудования и машин. Это важно учитывать прежде всего в нефтедобывающей и перерабатывающей промышленности, газодобывающей отрасли, ветроэнергетике и в управлении производственными процессами, где капитальные затраты на технологическое оборудование высоки, а время простоя стоит дорого. Особенности оперативного мониторинга сложного технологического оборудования рассмотрены в настоящей публикации. С. Сервис

THE WEARABLE FOR MACHINE HEALTH: CONDITION-BASED MONITORING

Незапланированные простои технологического оборудования могут стоить тысячи долларов в час. Исследования, проведенные в 2017 году, показали, что компании, эксплуатирующие сложное технологическое оборудование, имели потери в среднем до двух миллионов долларов из-за одних только простоев такого оборудования, причем незапланированные простои стоили значительно дороже, чем плановое выведение оборудования из эксплуатации на его обслуживание. Это связано с тем, что такое оборудование необходимо вывести из эксплуатации для проведения внеплановой диагностики, должны быть заказаны запчасти и произведен внеплановый ремонт. На длительность непрерывной работы оборудования и его срок службы влияют такие факторы, как изменение нагрузки и условий эксплуатации, а также различные неблагоприятные факторы в период эксплуатации. Мониторинг состояния технологического оборудования основан на количественной оценке всех влияющих факторов и прогнозировании неблагоприятных событий для своевременного вмешательства в непрерывный технологический процесс. Каждое устройство в составе оборудования имеет свой срок старения (службы), хотя процесс старения, как правило, достаточно медленный и малозаметный. Если не заниматься активным поиском признаков незначительных изменений в ра-

ondition-based monitoring (CbM) is the Industry 4.0 equivalent of wearable fitness devices. With the explosion of connectivity comes the opportunity to observe the physical world like never before and to see physical processes in action, in real time, in fine detail. In industrial systems, one of the processes important for us to understand is the process of the aging of equipment and machines. This is important in diverse markets from oil and gas, wind power generation, and industrial process control, where capital equipment costs are high.

Аbstract –

S. Servis боте оборудования во времени, старение может остаться незамеченным в течение продолжительного времени. В результате чего происходит внезапный сбой или катастрофический отказ, а значит, оборудование должно быть остановлено для проведения ремонта. Конечные пользователи должны своевременно получать уведомление о предстоящем сбое или отказе для заблаговременного планирования простоев. Они также нуждаются в индикаторах более тонких изменений в машинах и механизмах, которые могут повлиять на качество конечного продукта, например, такого как бумага и листовой металл, энергоносители и т.п. Комплексная потребность в более ранней индикации износа оборудования или его частей и информация о качестве конечной продукции приводят к необходимости внедрения более чувствительного и полноценного мониторинга. Расширяются виды измерений, такие методы, как измерение температуры и вибраций, дополняются акустическими измерениями, измерением тока двигателя и напряжения на его обмотках и т.п. Отдельные измерительные системы объединяются в комплексную систему мониторинга, чтобы дать представление о состоянии оборудования в целом. Это приводит к увеличению количества измерительных каналов на конкретный механизм или устройство. Отдельные измерения необходимо хо-

* Servis S. The Wearable for Machine Health: Condition-Based Monitoring. www.analog.com/TechnicalArticle. Сокращенный перевод с английского и комментарии В. Романова. e mail: ekis@vdmais.ua

В ПОМОЩЬ РАЗРАБОТЧИКУ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

рошо синхронизировать, чтобы оценивать взаимосвязь, например, между измерениями вибраций по осям x, y и z. Это еще больше увеличивает сложность систем мониторинга. Растущее число измерений и измерительных каналов означает то, что процедуры ручного контроля и индивидуальных измерений (рис. 1) уходит в прошлое и больше не в состоянии обеспечить полноценный контроль работоспособности сложного технологического оборудования. Системы мониторинга должны быть развернуты непосредственно на производстве с использованием сетевой (проводной или беспроводной) архитектуры. Громоздкие и дорогие датчики следует заменить миниатюрными смарт-сенсорами, отличающимися высокой энергоэффективностью и небольшой стоимостью.

№ 1, январь-март 2020

няться в широкой полосе частот. Так, например, моторные оси и зубчатые передачи имеют характерные вибрации на относительно низких частотах, близких к скорости вращения оси. Однако в таких системах, кроме того, есть компоненты, которые имеют более высокие частотные характеристики. Чтобы обнаружить изменения в износе таких компонентов с более высокими частотными характеристиками, а к ним относятся шариковые и масляные подшипники, измерительные системы должны обеспечивать высокое разрешение и большой динамический диапазон на частотах вплоть до 80 кГц (рис. 2).

Рис. 2. Типовая полоса частот вибраций отдельных устройств в технологическом оборудовании Рис. 1. Контроль оборудования с использованием пьезодатчиков и ручного регистрирующего прибора Достижения современной микроэлектроники позволяют уже сейчас создавать системы мониторинга с высоким уровнем интеграции, позволяющим вывести эти системы на уровень требований 4 индустриальной революции (Industry 4). Чтобы на ранних стадиях определить признаки износа оборудования, необходимо выполнить множество измерений и получить данные от большого числа сенсоров, таких как сенсоры температуры, вибраций, акустических сигналов и многие другие, что позволит обнаружить самые незначительные отклонения в работе оборудования. Например, для обнаружения начала износа поршневого насоса может потребоваться фиксация изменения конечного положения поршня с погрешностью не более чем 0.1 мм при движении поршня в пределах 300 мм. Для такого разрешения может потребоваться прецизионный 16-разрядный АЦП с динамическим диапазоном 96 дБ. Во многих случаях мониторинг должен выпол-

Исходя из этого, системы мониторинга должны иметь большой динамический диапазон и низкий уровень нелинейных искажений. В этих системах в качестве АЦП используются новейшие прецизионные сигма-дельта преобразователи с широкой полосой пропускания. Эти преобразователи имеют улучшенный динамический диапазон (до 108 дБ) и низкий уровень нелинейных искажений (-120 дБ), которые обеспечиваются в широкой полосе частот. Кроме АЦП, в составе этих систем используются различные аналоговые интерфейсы, встроенные цифровые фильтры и многие другие узлы. В многоканальных системах мониторинга должна поддерживаться одновременная выборка сигналов для сохранения фазовых отношений между наборами данных во временной области. Например, при использовании двух ортогонально расположенных датчиков вибраций, появляется возможность определять направление и амплитуду векторов вибраций. На практике фазовые задержки сигналов в каждом измерительном тракте многоканальной системы мониторинга должны быть хороwww.ekis.kiev.u

№ 1, январь-март 2020

В ПОМОЩЬ РАЗРАБОТЧИКУ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

шо согласованы. В таких системах могут использоваться, наряду с сигма-дельта АЦП, преобразователи поразряднго уравновешивания. Эти АЦП компании Analog Devices имеют частоту выборки до 2 МГц, большой динамический диапазон и отличаются простотой применения. Кроме того, они отличаются малым энергопотреблением и высокой плотностью компоновки измерительных каналов. Для таких систем мониторинга компанией Analog Devices разработаны миниатюрные измерительные модули сбора данных типа µModule® с высокой степенью интеграции (рис. 3). Эти модули содержать все необходимые узлы, включая сенсоры, для построения многоканальных систем мониторинга, предназначенных, в том числе, для встраивания в технологическое оборудование.

вень шумов и хорошо согласуются с параметрами модулей типа µModule®. Их потребление на порядок ниже пьезоэлектрических датчиков вибраций, что позволяет строить на их основе миниатюрные многоосные системы измерения вибраций. Отметим, что измерение температуры, вибраций или шума оборудования и преобразование этих параметров в цифровую форму хоть и является основной задачей системы мониторинга, но этими показателями требования к таким системам не исчерпываются. Для достижения низкого уровня шума в системе сбора данных требуются не только малошумящие датчики и компоненты аналого-цифрового преобразования, но и специально разработанная конструкция корпуса, ослабляющая внешние шумы и вибрации. Отметим, что для достижения низкого энергопотребления в системе сбора данных должны использоваться узлы, которые могут обеспечить продолжительную работу от аккумуляторной батареи (рис. 4).

Рис. 3. Внешний вид модуля µModule®

Рис. 4. Структурная схема типового измерительного канала системы сбора данных

Обеспечение большого динамического диапазона, широкой полосы пропускания, большей энергоэффективности и более высокой плотности компоновки измерительных каналов является частичным решением задачи построения систем мониторинга для сбора данных. Так, например, широко распространенные пьезоэлектрические датчики вибраций являются крупногабаритными и дорогими устройствами. Они, как правило, выполнены в металлических корпусах, работают при напряжениях питания -24 В и токе потребления не менее 2 мА, в то время, как система сбора данных может работать при напряжениях питания 5 или 3 В с более низким потреблением. Таким образом, пьезодатчики вибраций плохо вписываются в концепцию миниатюризации и повышения плотности компоновки измерительных каналов в системах сбора данных. В тоже время вибрационные и инерционные датчики на основе MEMSтехнологий отвечают требованиям таких систем. Новые MEMS-устройства компании Analog Devices имеют широкую полосу пропускания, низкий уроe mail: ekis@vdmais.ua

Новые системы мониторинга для оценки состояния технологического оборудования могут быть использованы не только в новых машинах и механизмах, но и в оборудовании, которое уже находится в эксплуатации. Возможность замены старого диагностического оборудования в таком оборудовании сопряжена с рядом особенностей. На многих промышленных объектах уже имеется разветвленная кабельная сеть для измерения некоторых параметров оборудования и параметров окружающей среды. Однако большая часть существующей инфраструктуры не в состоянии поддерживать большие потоки данных, обеспечивать их передачу с требуемой скоростью для решения задач комплексного мониторинга. Один из подходов расширения возможностей уже существующей инфраструктуры со своей кабельной разводкой заключается во введении в систему мониторинга дополнительных измерительных каналов так, чтобы это не влияло на работу системы в целом. Например, технология HART® ис-

В ПОМОЩЬ РАЗРАБОТЧИКУ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

пользуется для сбора дополнительной диагностической информации в цифровом виде совместно с данными, снимаемыми с аналогового интерфейса в виде токовой петли в диапазоне токов от 4 мА до 20 мА. Кроме того, может быть использована кабельная сеть промышленного Ethernet для обеспечения более высокой пропускной способности системы мониторинга. Другой подход заключается в использовании беспроводных сетей для сбора диагностической информации. В промышленных условиях требуется надежная и безопасная беспроводная сеть. Новейшие сетевые приемопередатчики – это микросхемы и сертифицированные модули для беспроводной связи, которые обеспечивают низкое энергопотребление и надежность передачи данных в промышленных условиях эксплуатации с вероятностью не ниже 99,999%. Перспективным направлением развития систем мониторинга для диагностики технологического оборудования является встраивание датчиков вместе с измерительным каналом в системный блок оборудования. Это значит, что двигатели будут поставляться с встроенными датчиками вибраций и тока, то же самое может произойти с подшипниками, коробками передачи и другим оборудованием. Будут созданы автономные сенсорные модули, которые будут передавать на мобильное устройство оператора инструкции по оптимальному управлению оборудованием и технологическим процессом в целом. Измерительные каналы будут унифицированными и обладать способностью обрабатывать сигналы, снимаемые с датчиков разных типов. Появится возможность использовать один и тот же узел системы мониторинга, например, в стиральной машине, в

№ 1, январь-март 2020

станке или другом оборудовании.

ВЫВОДЫ Мониторинг состояния и диагностика сложного технологического оборудования основаны на количественной оценке состояния отдельных его узлов путем оценки измеренных с помощью сенсоров параметров этого оборудования. Повышение точности и чувствительности этих измерений, а также уменьшение размеров, веса и потребляемой мощности систем сбора данных позволяет эффективно использовать системы мониторинга в производственных условиях. Капитальные затраты на оборудование могут быть снижены благодаря гибкой системе мониторинга его состояния. Раннее обнаружение и замена изношенных компонентов сможет защитить производство от внеплановых простоев. Срок службы оборудования может быть увеличен за счет своевременного ремонта и замены износившихся узлов. Это позволит снизить себестоимость и повысить качество производимого продукта. Компания Analog Devices уже в настоящее время позволяет обеспечить измерительные каналы различных систем мониторинга и диагностики технологического оборудования необходимым набором электронных компонентов, начиная от MEMS-датчиков с низким энергопотреблением, высокопроизводительных и энергоэффективных АЦП и ЦАП, и заканчивая микросхемами и модулями для организации и построения беспроводных сенсорных сетей.

www.ekis.kiev.u

№ 1, январь-март 2020

В ПОМОЩЬ РАЗРАБОТЧИКУ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ TOF-ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ * THE WEARABLE FOR MACHINE HEALTH: CONDITION-BASED MONITORING ime-of-flight (ToF) cameras have gained attention as the depth sensing method of choice for its smaller form factor, wide dynamic range of sensing, and its ability to operate in a variety of environments. Though ToF technology has been used for years in the scientific and military fields, it has become more prevalent starting in the early 2000s with advances in image sensing technology. This evolution in performance means that technologies such as ADI’s ToF technology will become more ubiquitously deployed beyond the consumer market, where it is currently being designed into smartphones, consumer devices, and gaming devices. As the technology matures, there will be opportunities to further leverage mainstream manufacturing processes to increase system efficiencies in the design, manufacturing, and transport of goods. Features of application of the ToF technology are considered in the article. C. Slattery, Y. Shida

Аbstract – ремяпролетные или ToF-технологии определения глубины получили распространение благодаря малым габаритам, широкому динамическому диапазону и возможности работы в различных средах. Несмотря на то, что ToF-технологии используются давно в научной сфере и обороне, только сейчас в связи с развитием микроэлектронной элементной базы, в том числе с появлением новых микросхем компании Analog Devices, они начали широко применяться в различных сферах человеческой деятельности. Особенности применения этих технологий рассмотрены в настоящей публикации.

К. Слаттери, Ю. Шида

На рис. 1. показан принцип работы ToF- или времяпролетных систем определения расстояния между объектами. Логистика, контроль качества, навигация, робототехника, распознавание лиц, здравоохранение и мониторинг движения транспортных средств – это основные области использования ToF-систем с 3D-зондированием расстояния для решения задач, которые практически невозможно было решить с помощью 2D-технологии. Объединение данных о глубине алгоритмами классификации

на основе применения искусственного интеллекта открывают новые возможности при решении перечисленных выше задач. В статье рассмотрены два основных метода измерения расстояния с помощью ToF-технологии, выполнено их сравнение с другими, получившими распространение на практике методами и технологиями измерения расстояния, показаны особенности использования ИМС ADDI9036 производства компании Analog Devices для обработкти ToF-сигна-

Рис. 1. ToF-технология для определения расстояния до объекта

* Slattery C., Shida Y. ADI ToF Depth Sensing Technology: New and Emerging Applications in Industrial, Automotive Markets, and More. Analog Dialogue, N 4, 2019. www.analogdialogue.com. Сокращенный перевод с английского и комментарии В. Романова. e mail: ekis@vdmais.ua

В ПОМОЩЬ РАЗРАБОТЧИКУ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

лов при измерении расстояния в 3D-формате. ИМС ADDI9036 представляет собой устройство для обработки ToF-сигналов, которое содержит процессор расстояния, обрабатывющий данные изображения, снимаемые с ПЗС-сенсоров. На рис. 2. приведена схема измерения расстояния, в соответствии с которой объект облучается лазером или светодиодом, а чувствительный к длине волны лазера фотоприемник захватывает отраженный свет. Фотоприемник с таймером измеряет временную задержку ∆T между моментом начала излучения света и моментом его захвата. Задержка пропорциональна удвоенному расстоянию между камерой и объектом облучения, поэтому расстояние может быть оценена по формуле как d = c∆T/2,

(1)

где c – скорость света. Функция устройства заключается в измерении задержки ∆T между излучаемым и отраженным сигналом. Существуют различные методы измерения интервала ∆T, два из которых получили наибольшее распространение. Это метод незатухающих волн (CW-метод) и импульсный метод. В методе незатухающих CW-волн периодический модулированный сигнал используется для активного облучения объекта, как показано на рис. 3,

№ 1, январь-март 2020

а сдвиг фазы отраженного света измеряется с помощью демодуляции принятого фотоприемником сигнала. Например, можно использовать синусоидальную модуляцию, где излучаемый сигнал имеет вид s(t) = AScos(2πfmodt) + BS, где AS – амплитуда сигнала, BS – постоянная составляющая (смещение сигнала), fmod – частота модулирующего сигнала. Принятый фотоприемником сигнал r(t) является по сути задержанным и ослабленным сигналом облучения объекта r(t) = αS(t – ∆T) где 0 ≤ α <1 – коэффициент ослабления, который зависит от расстояния и отражательной способности объекта, а ∆T – задержка сигнала. Время пролета CW-волны пропороционально расстоянию и измеряется до каждого пикселя путем выборки корреляционной функции между принятым отраженным сигналами r (t) и демодулированным сигналом g(t) с той же частотой, что и s(t). В идеальном случае демодулирующий сигнал также является синусоидальной волной g(t)=Agcos(2πfmodt) + Bg.

∆

Рис. 2. Упрощенная схема измерения глубины с применением ToF-технологии

Рис. 3. Принцип действия ToF-системы на основе метода незатухающих волн

www.ekis.kiev.u

№ 1, январь-март 2020

В ПОМОЩЬ РАЗРАБОТЧИКУ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Операция, выполняемая пикселем, является операцией корреляции

Если излучаемый сигнал и демодулирующий сигнал являются синусоидальными волнами, значение корреляции как функция задержки τ, применяемой к демодулирующему сигналу, записывается следующим образом c(τ) = Acos(2πfmodt(∆T-τ)) + B. где A = αAgAS, B = αBgBS. Корреляционная функция c(τ) дискретизируется с четырьмя равными шагами в течение одного периода (путем изменения фазового сдвига облучения с шагом 90°), как показано на рис. 4. Сдвиг фазы Φ=2πfmod∆T между излучаемым сигналом и демодулирущим сигналом определяется с помощью следующего выражения

Рис. 5. Временные окна затвора для захвата отраженного света BG захватывает внешний световой поток, который в процессе обработки вычитается из результатов других измерений. Интервал времени ∆T определяется по измеренным значениям в различных окнах в соответствии со следующим выражением ∆T = (S1 – BG)/(S0 + S1 – 2BG).

(2)

Исходя из (2), можно рассчитать расстояние d, подставив значение интервала ∆T в выражение (1), т.е. d будет равно d = [(S1 – BG)/(S0 + S1 – 2BG)]c/2.

где Tmod =1/fmod, а расстояние d, которое пропорционально сдвигу фаз, равно d = сΦ/(4πfmod).

Рис. 4. Диаграмма процесса выборки корреляционной функции

В импульсном методе источник облучения излучает серию N коротких световых импульсов, которые отражаются от объекта на фотоприемник, снабженный электронным затвором. Затвор захватывает свет в несколько коротких временных окон. На рис. 5 показаны три окна, которые используются для захвата отраженных световых импульсов. Окно e mail: ekis@vdmais.ua

Следует отметить, что приведеннные выражения основаны на предположении о том, что световые импульсы облучения являются строго прямоугольным, а это, как правило, невозможно обеспечить на практике из-за несовершенства аппаратных средств. Кроме того, в практических применениях необходимо накопить от нескольких сотен до нескольких тысяч импульсов облучения, чтобы получить достаточное большое отношение сигнал/шум (SNR) для точного измерения расстояния. Преимущества и недостатки систем на основе метода незатухающих волн и импульсного метода Оба ToF-метода имеют свои преимущества и недостатки. При их применении на практике необходимо учитывать величину измеряемого расстояния, параметры окружающей среды, в которой используется система, требования к точности, ограничения на потребляемую мощность, требования к габаритам и электропитанию. Следует отметить, что в подавляющем большинстве CW-систем, которые были внедрены, используются КМОП-сенсоры, в то время как в импульсных системах используются ПЗС-сенсоры. Исходя из этого, преимущества и недостатки этих систем основаны на следующием.

В ПОМОЩЬ РАЗРАБОТЧИКУ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Преимущества систем на основе незатухающих волн: 1. Для приложений, в которых не предъявляется высоких требований к точности, CW-система может быть проще в реализации по сравнению с импульсной системой, т. к. в ней источник света не должен генерировать короткие импульсы света с крутыми фронтами. Однако, если требования к точности таких систем велики, то растут трудности в формировании высокочастотных сигналов модуляции. 2. Из-за периодичности сигнала облучения любое измерение фазы в CW-системе будет охватывать интервал в целый период, что может привести к наложению периодически повторяемых выборок и, как следствие, к увеличению погрешности измерения. Поэтому приходится использовать несколько разных частот модуляции, причем истинное расстояние объекта можно определить, если два (или более) измерения фазы с разными частотами модуляции согласуются с измеряемым расстоянием. Такая частотная схема с множественной модуляцией также может быть полезна для уменьшения ошибки многолучевого распространения световой волны, которая возникает, когда отраженный свет от объекта попадает на другой объект перед возвратом к фотоприемнику, что тоже может привести к росту погрешности измерения. 3, Как и во всех системах формирования изображений с помощью КМОП-сенсоров, в них могут быть использованы источники питания со стандартными уровнями напряжения: +5 В, +3.3 В, +1.2 В, в отличие от ПЗС-сенсоров, для которых, как правило, могут потребоваться более высокие отрицательные до -9 В и положительные до +14 В напряжения питания. 4. В зависимости от конфигурации КМОП-сенсоры, как правило, обладают более высокой скоростью считывания данных. 5. Калибровка CW-системы по температуре проще, чем импульсной системы. Когда температура окружающей среды увеличивается, сигнал демодуляции и степень освещенности будут смещаться друг относительно друга из-за изменения температуры. Этот сдвиг влияет только на измеренное расстояние с ошибкой смещения, которая постоянна во всем измеряемом диапазоне и может быть учтена в процессе обработки. Недостатки CW-систем: 1. Несмотря на то, что КМОП-сенсоры имеют более высокую скорость фиксации передачи данных по сравнению с другими датчиками, в CW-системах

№ 1, январь-март 2020

требуется четыре выборки корреляционной функции на нескольких частотах модуляции, а также многокадровая обработка для расчета расстояния. Более длительное время экспонирования может потенциально ограничить общую частоту кадров CWсистемы или вызвать размытость изображения, что, в свою очередь, может ограничить использование ситемы в целом в некоторых приложениях. Например, может увеличиться сложность обработки с применением дополнительного внешнего процессора. 2. Для измерения больших расстояний или работы в средах с высоким уровнем внешнего освещения в CW-системах требуется более высокая оптическая мощность по сравнению с импульсной системой. Преимущества импульсных систем: 1. В импульсных системах часто используются высокоэнергетические световые импульсы, излучаемые короткими пакетами в течение малого интервала времени. Это дает следующие преимущества: облегчает проектирование системы, устойчивой к внешнему освещению, что важно для наружного применения, имеет более короткое время экспозиции, что минимизирует эффект размытия при движении объектов. 2. Рабочий цикл облучения в импульсной системе, как правило, намного короче, чем в сопоставимой CW-системе, что дает следующие преимущества: снижается рассеиваемая мощность системы в приложениях с большей дальностью действия, уменьшается уровень помех от других импульсных систем за счет размещения импульсов в другой области кадра. Недостатки импульсных систем: 1. Поскольку длительность передаваемого светового импульса и длительность электронного затвора должны быть одинаковыми, управление синхронизацией системы должно быть точным, для чего могут потребоваться минимальные в пределах нескольких пикосекунд отклонения в импульсах синхронизации. 2. Для высокой эффективности длительность импульса облучения должна быть максимально короткой, а импульс должен иметь большую мощность. По этой причине необходимо формировать импульсы управления лазером или лазерным диодом с короткими фронтами (<1 нс). 3. Калибровка температуры, как правило, сложнее чем в CW-системах, поскольку изменение температуры будет влиять на длительность отдельных www.ekis.kiev.u

№ 1, январь-март 2020

В ПОМОЩЬ РАЗРАБОТЧИКУ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

импульсов, а не только на смещение и коэффициент усиления, а также на его линейность 4. Как указывалось ранее, в большинстве импульсных систем КМОП-сенсоры не используются. Коротко остановимся на других системах аналогичного назначения. Стереосистемы Стереосистемы для измерения расстояния работают с использованием более чем одной камеры, которые находятся на определенном расстоянии друг от друга, как показано на рис. 6. Подобно человеческому глазу, заданная контрольная точка в пространстве будет находиться в разных положениях в каждой камере, что позволяет системе вычислять положение этой точки в пространстве, если соответствие этой точки выполняется в двух камерах. Определение этого соответствия требует применения сложных алгоритмов.

Рис. 6. 3D-измерение расстояния с помощью стереосистемы Преимущества стереосистем: • не требуется облучать объекты с помощью искусственного источника света • для сбора данных требуются только две камеры. Недостатки стереосистем: • если контраст между двумя камерами отсутствует, расстояние не может быть рассчитано. Это, как правило, имеет место в помещениях с белыми стенами, или в помещениях с недостаточным внешним освещением • на больших расстояниях две камеры должны быть расположены дальше друг от друга, чтобы соответствующая точка была расположена в разных местах в каждой из двух камер. Системы на основе метода структурированного света Метод структурированного света основан на проецировании точек на объект от эталонного e mail: ekis@vdmais.ua

образца. 3D-объект искажает этот эталонный образец, а 2D-камера фиксирует эти искажения. Полученные искажения сравниваются с эталонным шаблоном, который был спроецирован, а затем вычисляется карта расстояния на основе степени искажения (рис. 7).

Рис. 7. Принцип измерения расстояния с использованием метода структурированного освещения Преимущества метода структуированного освещения заключаются в возможности достижения высокого пространственного разрешения, а также высокой точности измерения на небольших расстояниях, не более 2 м. Недостатки метода структуированного освещения: 1. Для извлечения одного кадра информации требуется несколько проекций, что может привести к снижению частоты кадров и, как следствие, к увеличению погрешности измерения расстояния между движущимися объектами. 2. При больших расстояниях камера должна располагаться вдали от источника облучения, поскольку искажение рисунка может быть не различимо, если источник обьлучения расположен рядом с камерой. По этой причине структурированные световые системы обычно не используются в измерениях расстояния более 2 м. 3. Внешнее освещение также может вносить погрешность в искаженный рисунок, поэтому такие системы преимущественно предназначены для использования в помещениях. ToF-технология компании Analog Devices Это импульсная технология на основе ПЗС-сенсоров, как показано на рис. 8. В системе используется ИМС ADDI9036, которая содержит устройство обработки ToF-сигналов. Она включает 12-разрядный АЦП, процессор расстояния, который обрабатывает данные изображения, снимаемые с ПЗСсенсоров, а также высокоточный тактовый генера-

В ПОМОЩЬ РАЗРАБОТЧИКУ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

№ 1, январь-март 2020

Рис. 8. Функциональная схема ИМС ADDI9036 и особенност ее применения для измерения расстояния тор, который генерирует синхроимпульсы как для ПЗС-матрицы, так и для лазера. Точный синхронизирующий тактовый генератор позволяет формировать тактовые импульсы и выходной сигнал драйвера лазерных диодов с разрешением не хуже174 пс на тактовой частоте 45 МГц. ToF-система компании Analog Devices отличается от аналогичных тем, что в ней используются фотоприемники с числом элементов 640×480, что в четыре раз превышает разрешение аналогичных систем других производителей. В фотоприемниках ToF-системы компании Analog Devices используются высокочувствительные фотоприемники с максимальной чувствительностью на длине волны 940 нм. Отметим, что внешнее освещение существенно влияет на отношение сигнал/шум при считывании отраженного сигнала, однако на выбранной длине волны плотность потока фотонов в спектре солнечного излучения относительно мала (рис. 9). Это позволяет производить высокоточные измерения расстояния в условиях со значительной внешней

Рис. 9. Распределение спектра потока фотонорв в полосе солнечного света

засветкой. Встроенный в ИМС процессор, использующий алгоритм обработки псевдослучайных сигналов в сочетании с новой технологией обработки изображений, позволяет подавлять помехи, генерируемые другими системами, что позволяет обеспечить одновременную работу нескольких аналогичных систем. На рис. 10 показан пример использования систем разного типа для измерения расстояния. Как следует из рис.10, система на основе КМОП-сенсоров с источником света длиной волны 850 нм показала результат низкого качества, а система на основе ПЗС-сенсоров изображения продемонстрировала четкое изображение объектов, расстояние между которыми может быть легко измерено. Таким образом, использование изображения в формате 2D совместно с 3D-зондированием может значительно улучшить качество информации при измерении расстояний между разными объектами (рис. 11). В частности, 2D-зондирование не может отличить лицо реального человека от его фотографии. Извлечение информации о глубине позволяет лучше классифицировать людей, отслеживая их черты лица, особенности фигуры, походки и т.п. Определение расстояния может обеспечить высокое качество распознавания лиц в толпе, например, для быстрого распознавания преступника. Чем выше разрешение и точность измерения расстояния, тем лучше работает алгоритм классификации. Это может быть использовано для предоставления доступа к мобильным устройствам, санкционированного доступа к служебным помещениям и для повышения безопасности в целом. www.ekis.kiev.u

№ 1, январь-март 2020

В ПОМОЩЬ РАЗРАБОТЧИКУ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Рис. 10. Сравнение результатов измерения расстояния изображения для систем разного типа

томатического открывания дверей, которая надежно выполняется даже при интенсивном солнечном освещении. Рассмотренные системы могут успешно применяться в промышленности. Способность точно измерять и классифицировать детали в реальном времени в процессе производственного процесса является важной задачей. Точное определение расстояния помогает эффективно распределить пространство складских помещений. Детали, которые сходят с производственной линии, могут быть быстро направлены в сборочные цеха. Определение расстояния с высоким разрешением позволяет определять края строительных конструкций в режиме реального времени, рис. 13, 14, а также производить быстрые вычисления объемов. При определении объема используется нейросетевой подход.

Рис. 11. Распознавание лица с 3D-зондированием По мере того, как технологии глубинного зондирования будут совершенствоваться, обеспечивая высокое разрешение и точность измерения расстояния, процедуры классификации и в случае необходимости отслеживания людей существенно упростяться. Один из вариантов использования таких систем показан на рис. 12. Это функция ав-

Рис. 12. ToF-cистема управления автоматическим открыванием дверей при интенсивном солнечном освещении

e mail: ekis@vdmais.ua

Рис. 13. ToF-cистема для измерения 3D-размеров Автономные транспортные средства широко применяются на предприятиях. Они должны иметь возможность быстрого перемещения по фабричному цеху или складу. Технология высокоточного зондирования расстояния позволит составить карту производственного пространства в реальном времени, локализовать транспортное средство на карте и построить наиболее эффективный маршрут для его передвижения. Одна из проблем внедрения подобных систем в промышленность заключается в защите от помех, генерируемых датчиками сходных устройств и систем. Разрабатываемые в настоящее время протоколы для подавления помех позволят таким системам работать одновременно в зоне прямой видимости, не влияя друг на друга.

В ПОМОЩЬ РАЗРАБОТЧИКУ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

№ 1, январь-март 2020

Рис. 14. Примеры использования ToF-cистем для измерения расстояния на производстве Компания Analog Devices разработала отладочную плату оптических датчиков AD-96TOF1-EBZ (рис. 15), которая совместима с платформой процессора Arrow 96. Оптические характеристики платы 96TOF1 приведены в таблице. Таблица. Параметры отладочной платы AD-96TOF1-EBZ Расстояние

до 6 м

Угол обзора

90×69.2°

Длина волны

940 нм

Рис. 16. Демонстрационный модуль DCAM710

30 кадров/с

2D-технологии. В ближайшем будущем эта технология найдет широкое применение для классификации людей, определения преступников в местах большого скопления людей, учета и быстрой передачи изготовленных деталей в сборочные цеха, измерения в реальном времени габаритов строительных конструкции при выполнении монтажных работ и т.п. Новая ИМС ADDI9036 компании Analog Devices предназначена для реализации этой технологии. Она построена на основе импульсного метода с применением ПЗС-сенсоров, которые отличаются высокой чувствительностью и быстродействием. Разработанная отладочная плата дает возможность быстро раработать устройства на ИМС ADDI9036 для применеия ее в промышленном производстве и других приложениях.

Частота кадров

640×480 точек

Разрешение

Кроме того, фирмой-партнером компании Analog Device разработан демонстрационный модуль DCAM710, который позволяет оценить предпроектное решение будущей разработки, рис. 16. Демонстрационный модуль поддерживает потоковую передачу данных в ПК через USB-порт.

ВЫВОДЫ Разработанная компанией Analog Devices ToFтехнология с использовавнием 3D-зондирования расстояния, предназначена для решения задач, которые практически невозможно решить с помощью

Рис. 15. Отладочна плата для программирования системы измерения расстояния

www.ekis.kiev.u

В ПОМОЩЬ РАЗРАБОТЧИКУ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

№ 1, январь-март 2020

УПРАВЛЕНИЕ SPI-ИНТЕРФЕЙСОМ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДОСТУПА К НЕСТАНДАРТНОМУ SPI-ИНТЕРФЕЙСУ АЦП * ногие современные прецизионные АЦП имеют последовательный интерфейс (SPI) для связи с микроконтроллерами, микропроцессорами, сигнальными процессорами, в том числе на основе ПЛИС FPGA. Благодаря этому АЦП легко подключить к контроллеру со стандартным SPI-интерфейсом. Особенности такого подключения рассмотрены в этой статье. С.Кси

MANIPULATING MCU SPI INTERFACE TO ACCESS A NONSTANDARD SPI ADC

any current precision analog-to-digital converters (ADCs) have a serial peripheral interface (SPI) or some serial interface to communicate with controllers including a microcontroller unit (MCU), a DSP, or an FPGA. And, it is easy to connect an ADC to the controller with a standard SPI. The features of such communication is considered in the article. S. Xie

Аbstract –

жиме ведущего устройства. Пользователи, как правило, сталкиваются с трудностями при сопряжении микроконтроллера с такими преобразователями.

Вопрос: Можно ли подключить АЦП с нестандартным последовательным интерфейсом к микроконтроллеру со стандартным SPI-интерфейсом? Ответ: Да, можно, но при определенной доработке такого интерфейса. Некоторые новые АЦП имеют стандартные SPIинтерфейсы, наряду с ними выпускаются АЦП, использующие нестандартный 3-проводной или 4-проводной SPI-интерфейс для обеспечения более высокой пропускной способности. Например, семейство AD7616, AD7606 и AD7606B имеет две или четыре линии (шины) для передачи данных с целью обеспечения более высокой пропускной способности в последовательном режиме обмена данными. Семейства AD7768, AD7779 и AD7134 имеют несколько линий передачи данных и работают в ре-

Рис. 1. АЦП AD7768 в режиме ведущего устройства с двумя последовательными шинами данных SPI-интерфейс – это синхронный полнодуплексный интерфейс, работающий в режиме master/slave (ведущего/ведомого устройства). Данные от ведущего устройства (master) или ведомого устройства (slave) синхронизируются по фронту или спаду тактового импульса. Как ведущие, так и ведомые устройства могут передавать данные по интерфейсу одновременно. На рис. 2 показано типовое 4проводное соединение АЦП с микроконтроллером по SPI-интерфейсу. Чтобы начать считывание данных по стандартному SPI-интерфейсу, контроллер должен по тактовому импульсу выбрать АЦП (сигнал CS, низкий уровень которого обычно является активным). Поскольку SPI-интерфейс является полнодуплексным

* Xie S. Manipulating MCU SPI Interface to Access a Nonstandard SPI ADC. www.analog.dialogue. Analog Dialogue, N 4, December, 2019. Сокращенный перевод с английского и комментарии В. Романова.

www.ekis.kiev.u

№ 1, январь-март 2020

В ПОМОЩЬ РАЗРАБОТЧИКУ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Рис. 2. Соединение АЦП и микроконтроллера по стандартному SPI-интерфейсу интерфейсом, контроллер и АЦП могут одновременно выводить данные по шинам MOSI/DIN и MISO/DOUT соответственно. SPI-интерфейс контроллера предоставляет пользователю гибкость в выборе фронта или спада тактового импульса для выборки и/или сдвига данных. Для надежной связи между ведущим и ведомым устройствами, пользователи должны следовать спецификациям по синхронизации цифрового интерфейса микроконтроллера и АЦП, которые приведены в технической документации (data sheet) на применяемые микросхемы. Если SPI-интерфейс микроконтроллера и последовательный интерфейс АЦП имеют стандартный режим синхронизации, у пользователей не возникает проблем при проектировании печатной платы устройства в целом и разработке встроенного программного обеспечения для поддержки работы такого интерфейса. Но некоторые новые АЦП содержат нестандартные последовательные интерфейсы, которые не отвечают общепринятым требованиям к синхронизации работы SPI-интерфейса. На первый взгляд кажется невозможным, чтобы микроконтроллер или сигнальный процессор считывал данные через нестандартный последовательный порт АЦП AD7768, как показано на рис. 3. Для преодоления такого неудобства, вызванного различиями в схемах последовательных интерфейсов АЦП и микроконтроллера (сигнального процессора) автором статьи предлагаются следующие подходы для организации связи таких устройств: 1. Решение 1: Микроконтроллер (MCU) высту-

пает в качестве ведомого устройства и взаимодействует по одной шине DOUT с АЦП, который является ведущим устройством 2. Решение 2: Микроконтроллер (MCU) выступает в качестве ведомого устройства и взаимодействует по двум шинам DOUT с АЦП, который является ведущим устройством 3. Решение 3: Микроконтроллер (MCU) выступает в качестве ведомого устройства и взаимодействует через DMA-порт с АЦП, который является ведущим устройством 4. Решение 4: Микроконтроллер (MCU) выступает в качестве ведущего и ведомого устройства для считывания данных по двум шинам DOUT. В качестве примера рассмотрим считывание данных АЦП AD7768 по SPI-интерфейсу (шина DOUT) микроконтроллером STM32F429. Как видно из рис. 3, по каналу 0 – 7 данные считываются из АЦП только по шине DOUT, причем АЦП AD7768/AD7768-4 работает как ведущее устройство и передает данные, тактовые и служебные сигналы DCLK и DRDY в микроконтроллер, как в ведомое устройство. Отметим, что семейство микроконтроллеров STM32Fxxx широко используется во многих приложениях. Эти микроконтроллеры имеют несколько портов SPI, которые могут быть запрограммированы как ведущие или ведомые с стандартными режимами синхронизации. Представленные ниже рекомендации могут, кроме того, применяться в других микроконтроллерах с 8-битным, 16-битным или 32-битным размерами кадра. Преобразователи AD7768 / AD7768-4 – это 8- и 4-канальные сигма-дельта АЦП с модулятором и цифровым фильтром на канал, что позволяет синхронизировать выборку сигналов на входах АЦП. Они имеют динамический диапазон входного сигнала до 108 дБ при максимальной входной полосе пропускания 110.8 кГц, интегральную нелинейность не хуже ±2 ppm, погрешность смещения нуля не более ±50 мкВ и погрешностью усиления не более ± 30 ppm. Пользователь AD7768 / AD7768-4 может зада-

Рис. 3. Временные диаграммы сигналов считывания данных по DOUT0-шине АЦП AD7768

e mail: ekis@vdmais.ua

В ПОМОЩЬ РАЗРАБОТЧИКУ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

вать ширину полосы пропускания входного сигнала, скорость передачи выходных данных и один из трех режимов питания, чтобы оптимизировать его исходя из допустимых шумов и энергопотребления. Гибкость АЦП AD7768/AD7768-4 позволяет им стать базовыми устройствами для измерения сигналов низкого уровня. К сожалению, последовательный интерфейс AD7768 является нестандартным, поэтому АЦП AD7768 работает как ведущее устройстве при связи с микроконтроллером. Как правило, разработчики при сопряжении такого АЦП с микроконтроллером должны использовать дополнительный промежуточный контроллер, выполненный на ПЛИС типа FPGA/CPLD. Пример такой реализации приведен на рис. 4, где АЦП AD7768 и дополнительный контроллер на ПЛИС типа 32F429IDISCOVERY расположены на общей оценочной плате, причем данные, снимаемые с 8-канального АЦП, выводятся на одну шину DOUT0.

Рис. 4. Пример вывода данных АЦП AD7768 на микроконтроллер STM32F429 по шине данных DOUT0 Проблемы, которые необходимо учесть при организации такой связи, состоят в следующем: • АЦП AD7768 работает как ведущее устройство, поэтому микроконтроллер STM32F429I должен быть запрограммирован как ведомое устройство • высокий уровень сигнала DRDY – это один период длительности тактового сигнала DCLK, который не является типичным сигналом CS.

№ 1, январь-март 2020

• по сигналу DCLK данные непрерывно выводятся из АЦП, а сигнал DRDY имеет низкий уровень, когда завершен вывод всех разрядов последовательных данных, рис. 5. Решение 1: Микроконтроллер используется в качестве ведомого устройства, а АЦП – в качестве ведущего с одной шиной данных DOUT: 1. Необходимо настроить микроконтроллер STM32F429, его SPI-порт, например, SPI4, в качестве ведомого устройства для считывания данных. 2. Необходимо подключить вывод сигнала DRDY АЦП AD7768 к входному выводу внешнего прерывания микроконтроллера STM32F429 (EXTI0 и NSS SPI CS). Фронт сигнала DRDY запустит обработчик EXTI0 для разрешения начала приема данных микроконтроллером через SPI-порт по первому спаду сигнала DCLK с момента, когда уровень сигнала DRDY перейдет в низкое состояние. 3. После приема всех данных от каналов 0 – 7 SPI-порт следует отключить, чтобы запретить чтение иных дополнительных данных. Листинг программы, поддерживающей работу связи АЦП с микроконтроллером в этом режиме, содержится в оригинале статьи Решение 2: Микроконтроллер используется в качестве ведомого устройства, а АЦП – в качестве ведущего с двумя шинами данных DOUT: В первом случае (решение 1) шина данных DOUT0 используется для вывода всех данных, снимаемых с 8 входов АЦП. Таким образом, чтение данных ограничено частотой 8 кГц. Как следует из рис. 1, выходы каналов 0...3 подключены к шине DOUT0 и выходы каналов 4...7 подключены к шине DOUT1, что позволяет увеличить частоту съема данных с выхода АЦП в два раза. Схема подключения АЦП к микроконтроллеру для этого случая приведена на рис. 6. При этом частота передачи данных увеличивается до 16 кГц. Листинг программы, поддержи-

Рис. 5. Считывание данных с выхода АЦП AD7768 по нестандартному последовательному интерфейсу

www.ekis.kiev.u

№ 1, январь-март 2020

В ПОМОЩЬ РАЗРАБОТЧИКУ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Рис. 6. Схема подключения АЦП AD7768 к микроконтроллеру STM32F429 с выводом данных по двум шинам DOUT0 и DOUT1 вающей работу в таком режиме, содержится в оригинале статьи. Решение 3: Микроконтроллер используется в качестве ведомого устройства, а АЦП – в качестве ведущего устройства и связан с микроконтроллером через DMA-порт: Прямой доступ к памяти (DMA) используется для обеспечения высокоскоростной передачи данных между периферийными устройствами и памятью, а также между памятью и памятью двух цифровых устройств. Данные могут быть быстро записаны в память микроконтроллера через DMA-порт без обращения к микроконтроллеру. Листинг программы, поддерживающей работу с DMA-портом, содержится в оригинале статьи. Решение 4: Микроконтроллер используется как ведущее и ведомое устройство для считывания данных с двух шин DOUT: АЦП с высокой пропускной способностью поддерживает работу с внешними устройствами по двум, четырем и даже восьми линиям для ускорения считывания данных в последовательном режиме, рис. 7. Для микроконтроллеров с двумя или более SPI-портами предусмотрен режим быстрого чтения данных. В этом случае частота считывания данных может составить 800 кГц. Листинг программы, поддерживающей такой режим работы преобразователя и микроконтроллера, содержится в оригинале статьи. На рис. 8 приведена осциллограмма с визуализацией сигналов данных и служебных сигналов BUSY и SCLK для АЦП AD7606B при считывании данных микроконтроллером.

Рис. 7. Схема контроллера для считывания данных АЦП с шин DOUTA и DOUTB по нескольким SPI-портам

Рис. 8. Осциллограмма сигналов данных и служебных сигналов BUSY и SCLK при работе АЦП по последовательному SPI-интерфейсу

последовательными интерфейсами. Эти подходы целесообразно использовать при работе с новыми сигма-дельта АЦП, например, семейства AD7616, AD7606 и семейства AD7768, AD7779 и AD7134 для повышения пропускной способности канала связи.

ВЫВОДЫ В статье рассмотрены подходы и даны рекомендации к использованию SPI-интерфейса микроконтроллера для считывания данных высокоточных и высокопроизводительных АЦП с нестандартными e mail: ekis@vdmais.ua

В ПОМОЩЬ РАЗРАБОТЧИКУ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

№ 1, январь-март 2020

www.ekis.kiev.u

№ 1, январь-март 2020

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

GOWIN: НОВОЕ ИМЯ НА РЫНКЕ FPGA GOWIN: NEW FPGA MARKET NAME статье приведены основные технические характеристики и возможности микросхем FPGA китайской компании GOWIN.

В. Котигорошко

ВВЕДЕНИЕ FPGA (Field-Programmable Gate Array) – программируемые пользователем вентильные матрицы. Это, возможно, не очень точная, но наиболее часто встречающаяся трактовка аббревиатуры FPGA. Микросхемы FPGA представляют собой только одну из разновидностей программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), хотя очень часто в более общих случаях их также называют ПЛИС, под которыми, как правило, подразумевается полупроводниковый электронный компонент, используемый для создания конфигурируемых цифровых узлов, логика работы которых, в отличие от классических цифровых микросхем, определяется не в процессе изготовления, а задается пользователем посредством его программирования [1-9]. Для реализации любого алгоритма обработки данных в процессоре выполняется определенный набор инструкций. В ПЛИС алгоритм реализуется на аппаратном уровне (в "железе"), благодаря соответствующей конфигурации элементарных логических ячеек. Микросхема FPGA – содержит матрицу логических элементов с набором связей, триггеров, мультиплексоров, портов ввода/вывода, блоки памяти типа SRAM или Flash, а кроме того, может содержать вычислительное ядро микропроцессора общего назначения или сигнального процессора (DSP), блок фазовой автоподстройки частоты (PLL) и пр. После включения питания необходима начальная загрузка конфигурации логических элементов и их связей, которая сохраняется во встроенной энергозависимой или энергонезависимой памяти микросхемы. Число модификаций, т.е. перепрограммирований структуры, не ограничивается. Микросхемы FPGA – наиболее востребованная разновидность ПЛИС. При использовании FPGA в буквальном смысле проектируются цифровые микросхемы разной сложности, т.к. в результате проектирования "рождается" микросхема, реализующая определенный e mail: ekis@vdmais.ua

his article describes the main technical characteristics and capabilities of the FPGA chips produced by Chinese company GOWIN. V. Kotigoroshko

Аbstract –

алгоритм на аппаратном уровне, а не код, предназначенный для выполнения микропроцессором. Микросхема FPGA – это не микропроцессор, в котором последовательно выполняется пользовательский набор инструкций. В FPGA реализуется на аппаратном уровне именно алгоритм с использованием встроенных элементарных логических ячеек. Проект для FPGA может быть разработан, например, в виде принципиальной электрической схемы. Также существуют специальные языки программирования (Verilog или VHDL). Суперсовременные мощные FPGA ведущих производителей изготавливаются с соблюдением технологических процессов с разрешающей способностью 10/16 нм и могут содержать десятки млрд транзисторов (например, кристалл VU19P семейства Virtex Ultrascale+ компании Xilinx Inc.). Важная отличительная особенность FPGA – возможность их оперативной реконфигурации и быстрой адаптации к изменившимся требованиям заказчика. Сегодня это контроллер 100Gb Ethernet, а завтра контроллер интерфейса PCI-е или HDMI. Основные области применения – это радары, сонары, базовые станции беспроводной связи, программно-управляемые радиоустройства, системы видеонаблюдения, различные аудио и видео приложения, автомобильная промышленность (видеокамеры, радары, лазерные системы), устройства обработки мультимедийной информации в широкополосных сетях, медицинские приборы визуализации, сетевые маршрутизаторы, аппаратура для волоконно-оптических линий связи, реконфигурируемые суперкомпьютеры, робототехника, специальная и военная техника, а также другие устройства для высокопроизводительной и высокотехнологичной обработки данных. FPGA эффективно используются в качестве ускорителей вычислений специализированных функций. Это: • фильтрация • быстрое преобразование Фурье • криптография

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

• компрессия • обработка случайных процессов по методу Монте-Карло • получение трехмерных изображений в медицине • пакетная и сетевая обработка. Для реализации таких вычислений в FPGA имеются встроенные в специализированные DSPблоки многоразрядные умножители, которые также можно объединять для повышения производительности при решении задач фильтрации и обработки видеоизображения. Кроме того, микросхемы FPGA традиционно используются для создания прототипов при проектировании новых заказных микросхем. Вначале выпускаются малые партии устройств с использованием реконфигурируемых FPGA, а в дальнейшем после их всесторонней проверки в реальных условиях эксплуатации, приступают к организации серийного производства уже с использованием заказных микросхем (application specific integrated circuit – ASIC), что позволяет снизить стоимость и габаритные размеры устройства. В новейших микросхемах FPGA ведущих мировых производителей содержатся десятки высокоскоростных последовательных портов, обеспечивающих скорость передачи данных по каждому из них до 32 Гбит/с, а также аппаратные IP-ядра контроллеров памяти типа DDR4, интерфейсов 100Gb Ethernet, PCI-e Gen4 и пр. Традиционно основными потребителями микросхем FPGA являются высокотехнологичные компании – IBM, Dell, Hewlett Packard, Cisco, Ericsson, Huawei, Sony, Harman International, Samsung, Siemens, Toshiba, Raytheon и многие другие.

ОБЗОР РЫНКА FPGA В отчете "Глобальный рынок программируемых вентильных матриц (FPGA): краткий обзор", опубликованном ассоциацией Market Research Future (MRFR), отмечается, что совокупный среднегодовой темп роста (compound annual growth rate – CAGR) глобального рынка микросхем FPGA будет составлять примерно 10-13% в течение прогнозируемого периода 2020-2023 гг. По оценкам в 2023 г общий объем рынка составит порядка 25 млрд долларов США, в секторе телекоммуникаций – 1.625 млрд долларов США (рис. 1) [1]. Основными представленными в докладе MRFR производителями на мировом рынке микросхем FPGA являются Xilinx Inc. (США), Intel Corporation

№ 1, январь-март 2020

Рис. 1. Прогноз развития телекоммуникационного рынка FPGA (США), Microsemi Corporation (США), Achronix (США), Teledyne e2v (Великобритания), Lattice Semiconductor Corporation (США), QuickLogic (США), Atmel Corporation (США), Tabula Inc. (США) и другие. Причем компании Xilinx и Intel контролируют примерно 90% мирового рынка. Глобальный рынок микросхем ПЛИС условно можно сегментировать по многим признакам, в том числе в зависимости от технологии изготовления, типа памяти для хранения информации о конфигурации, области применения, иногда используются региональные признаки, а также многие другие. По степени интеграции микросхем рынок разделен на сегменты с низкой, средней (технологические нормы 28…90 нм) и высокой степенью интеграции (менее 28 нм). По типу памяти микросхемы подразделяются на те, в которых для хранения конфигурации используется память типа SRAM, FLASH, EEPROM или используются пережигаемые перемычки (antifuse). По области применения рынок сегментирован на автомобильную и бытовую электронику, военную и аэрокосмическую промышленность, приложения для центров обработки данных и многие другие сферы. Преимущество технологии, при которой информация о конфигурации хранится в ячейках статической памяти (SRAM), – возможность многократного перепрограммирования. Недостаток – сравнительно большая продолжительность начальной загрузки. После каждого включения питания необходимо инициировать загрузку информации о конфигурации. В большинстве классических микросхем FPGA, как правило, используется именно память типа SRAM. Если в микросхемах для хранения конфигурации используется встроенная память типа FLASH или EEPROM, то при выключении питания информация не исчезает и после включения напряжения питания микросхема готова к работе. Недостаток таких микросхем – ограниченное количество циклов перезаwww.ekis.kiev.u

№ 1, январь-март 2020

писи. В некоторых микросхемах используется специальная технология, при которой программирование заключается в расплавлении специальных перемычек (antifuse) для формирования требуемой структуры логических ячеек. Недостаток – однократное программирование, после чего естественно исправить уже ничего нельзя. Преимущество – ниже вероятность сбоев в условиях внешней радиации, т.к. для конфигурации используются перемычки, а не полупроводниковые структуры ячеек SRAM-памяти. Рынок современных высокопроизводительных микросхем FPGA определяется весьма специфической структурой сфер потребления. Это обусловлено как стоимостью микросхем, так и особенностями их использования в серийном производстве, и особенностями процесса проектирования цифровых систем на их базе. Львиная доля (более 40%) – это сектор телекоммуникаций. Примерно те же 40% в суммарном исчислении приходится на оборудование для гражданской авиации, военное оборудование и системы промышленного назначения. Оставшиеся, около 20%, – это автомобильная промышленность, устройства обработки данных (аппаратно-программные акселераторы для рабочих станций) и медленно, но постоянно растущий сегмент массовой бытовой электроники.

GOWIN SEMICONDUCTOR CORP. Штаб-квартира основанной в 2014 году компании GOWIN Semiconductor Corp. располагается в Китайской Народной Республике. Кроме того, подразделения компании, занимающиеся исследованиями и разработками микросхем, размещены в США и Гонконге. Компания GOWIN сотрудничает с ведущими мировыми корпорациями, работающими в сфере программируемой логики. Компания предлагает на рынке микросхемы FPGA, ПО для разработки IP-ядер, варианты эталонных дизайнов, а также комплекты для разработки. Микросхемы FPGA компании используются в промышленных системах, телекоммуникационных сетях, а также в изделиях для массового потребительского рынка, медицинского и автомобильного оборудования. Микросхемы компании выпускаются крупнейшим расположенным на Тайване мировым производителем полупроводниковых приборов – TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) с использованием технологических норм 55 нм. Компания появилась на рынке FPGA сравнительно недавно, однако демонстрирует высокую динаe mail: ekis@vdmais.ua

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

мику роста продаж и перспективы развития своих продуктов, ориентированных на применение в различных областях радиоэлектроники, автомобильной индустрии, системах видеонаблюдения, высокоскоростных интерфейсах обмена данными, телекоммуникационном оборудовании, обороне и космосе. Стремительный рост продаж аналитики связывают с запретом американским фирмам продавать компоненты известному производителю телекоммуникационного оборудования и мобильных телефонов в Китае – компании ZTE – вследствии нарушения ею санкций США в отношении Ирана и Северной Кореи. Это послужило хорошим стимулом для роста выпуска высокопроизводительных ИМС китайских производителей, а также развития научных исследований и разработок с целью уменьшения зависимости от Запада. По оценкам специалистов компании GOWIN, произведенные по технологии 55 нм микросхемы FPGA могут конкурировать с существующими на рынке кристаллами FPGA низкой и средней степени интеграции других производителей. Хотя на web-сайте компании сведений нет, но из сообщений некоторых новостных агентств следует, что компания планирует выпуск нового семейства GW3AT-100 с использованием технологических норм 28 нм [9]. В этих микросхемах будет поддерживаться интерфейс PCI-e 2.0/5 Гбит/с (x1, x2, x4, x8), а также другие высокоскоростные протоколы обмена данными (XAUI/3.125 Гбит/с, RXAUI/6.25 Гбит/с и CEI-6G/6.25 Гбит). Типичные области применения микросхем GW3AT – беспроводные базовые станции Microcell, машинное зрение, робототехника, вычислительные устройства с параллельными вычислениями и пр. Предполагается, что микросхемы GW3AT могут быть ориентированы на рынок приложений, в которых применяются некоторые из модификаций FPGA Kintex-7 (Xilinx). В настоящее время компания предлагает два семейства микросхем FPGA: Arora (GW2A/AR) и LittleBeе (GW1N).

FPGA ARORA GW2A – классические изготавливаемые по технологическим нормам 55 нм микросхемы FPGA, содержащие до 55 тыс. четырехвходовых таблиц истинности LUT4 (Look-Up Table). Основные характеристики микросхем FPGA семейства Arora приведены в табл. 1. Структура микросхем GW2AR-18 приведена на рис. 2. Отличительная особенность – на-

№ 1, январь-март 2020

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Рис. 2. Структура микросхем GW2AR-18 Таблица. 1. Характеристики микросхем FPGA семейства Arora Характеристика

GW2A-18 GW2A-55 GW2AR-18

Таблица. 2. Параметры встроенных блоков памяти PSRAM

SDR SDRAM

DDR SDRAM

Объем памяти, Мбит

128

—

5.4

—

166

250/200

Характеристика

LUT4

20736

54720

20736

Триггеры

15552

41040

15552

Объем памяти S-SRAM, бит

Разрядность данных, бит

41472

109440

41472

Время доступа, нс

Объем памяти B-SRAM, Кбит

828

2520

828

Тактовая МГц

140

Интерфейс

—

LVTTL

SSTL_2

Напряжение питания, В

1.8

3.3

2.5

Кол. блоков памяти B-SRAM Объем памяти SDR SDRAM/DDR SDRAM, Mбит Объем памяти PSRAM, Mбит Кол. умножителей 18×18

—

64/128

—

4/4

6/4

4/4

Макс. число портов I/O

384

608

384

Напряжение питания ядра, В

1.0

Кол. PLL/DLL Кол. банков I/O

личие встроенных блоков высокоскоростной динамической SDR SDRAM/DDR SDRAM и псевдостатической памяти типа PSRAM (Pseudo-Static RAM) объемом до 128 Мбит. Тип и объем памяти зависят от модификации, определяемой типоразмером корпуса. Микросхема GW2AR, которая является базовой в семействе Arora, не содержит памяти этих типов. Параметры встроенных блоков памяти при-

шины

частота,

ведены в табл. 2. В FPGA семейства Arora для хранения информации о конфигурации используется память типа S-SRAM. В качестве внешней памяти для загрузки FPGA можно использовать любые стандартные микросхемы Serial Flash. Конфигурируемый функциональный блок (configurable function unit – CFU) является базовым блоком для микросхем FPGA семейства Arora и LittleBeе (рис. 3). Каждый блок CFU состоит из конфигурируемого логического блока (configurable logic unit – CLU) и настраиваемого маршрутизатора (configurable routing unit – CRU), обеспечивающего соединения входа, выхода, а также блоков, содержащихся в CFU. В каждом блоке CLU имеется четыре конфигурируемые логические ячейки (configurable logic slices – CLS), в состав которых входит таблица истинности (LUT) и триггер (рис. 3.). Порты ввода/вывода в микросхемах серии GW2A расположены по периферии кристалла в блоках (рис. 4), называемых банками (IOBank0…IOBank7). www.ekis.kiev.u

№ 1, январь-март 2020

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Каждый их банков I/O содержит вывод (VCCO) для подключения напряжения питания (3.3, 2.5, 1.8, 1.5 или 1.2 В).

росхем с числом логических элементов до 55 тыс., однако едва ли можно полагать, что микросхемы семейства GW2A являются их аналогами или предназначены для их непосредственной замены.

FPGA LITTLEBEЕ

Рис. 3. Структура конфигурируемого логического блока

Рис. 4. Структура банков ввода/вывода В микросхемах FPGA компании Intel, например, серий Cyclone II, Cyclone III, Cyclone IV E, Cyclone 10 LP или ECP5U (Lattice) можно найти модификации мик-

Микросхемы FPGA (GW1N) семейства LittleBeе изготавливаются на основе техпроцесса с проектными нормами 55 нм и содержат до 9 тыс. LUT, а также встроенный массив памяти типа флэш объемом до 128 Кбайт, в которой может храниться конфигурация структуры логических ячеек микросхемы. Кроме того, FPGA семейства LittleBeе в зависимости от модификации могут содержать массив динамической памяти типа SDR SDRAM, АЦП, модуль Bluetooth LE, криптографический модуль, а также встроенную аппаратную микропроцессорную систему на базе 32-разрядного процессорного ядра ARM Cortex-M3 (в отличие от ряда микросхем FPGA компаний Intel и Xilinx, в которых используется более "громоздкое" и мощное ядро ARM Cortex-A9). Основные характеристики микросхем GW1NS семейства LittleBeе даны в табл. 3. Структура микросхемы GW1NS-2C приведена на рис. 5. Пользовательская флэш-память объемом 128 Кбайт (GW1NS-2C/2) или 32 Кбайт (GW1NS-4C/4) может использоваться в качестве программной памяти процессора Cortex-M3 или в качестве энергонезависимой памяти для хранения пользовательских данных, а кроме того, в микросхемах GW1NS-2C/2 для сохранения кода конфигурации в режиме DUAL BOOT. В таком случае, после включения напряжения питания код конфигурации загружается из встроенной флэш-памяти в память типа SRAM – т.н. режим "быстрого старта". Продолжительность загрузки –

Рис. 5. Структура микросхемы GW1NS-2C

e mail: ekis@vdmais.ua

№ 1, январь-март 2020

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Таблица 3. Основные характеристики микросхем GW1NS семейства LittleBeе Характеристика

GW1NS-2

GW1NS-2C

GW1NS-4

GW1NS-4C

LUT4

1728

4608

Триггеры

1296

3456

Объем памяти B-SRAM, Кбит

180

Кол. блоков памяти B-SRAM

Кол. умножителей 18Ч18

—

Объем флэш-памяти, Кбайт

128

Кол. PLL/DLL

1/2

2/2

1 (±5)

—

Cortex-M3

—

Cortex-M3

USB 2.0 PHY

—

АЦП

—

Кол. банков I/O

Макс. число портов I/O

102

106

Напряжение питания ядра, В

1.2

Генератор (погрешность, %) Процессорное ядро Контроллер USB

несколько мс. Массив памяти объемом 128 Кбайт разбит на 256 страниц. Шина данных – 32-разряда. Время операции считывания – 30 нс, записи – 30 мкс, длительность стирания страницы – 2 мс. Минимальное число циклов стирания/записи – 100 тыс., ориентировочное время хранения данных – 10 лет. Микропроцессорная система, кроме процессорного ядра ARM Cortex-M3, содержит два универсальных таймера (Timer0/Timer1), а также сторожевой таймер (watchdog). Кроме того, имеется два модуля UART. В микропроцессорной системе благодаря контроллеру прерываний обеспечивается мониторинг сигналов прерываний на линиях ввода/вывода (GPIO), а также от интерфейсных модулей (UART0, UART1) и таймеров. Частота выборки 8-канального АЦП последовательного приближения – 1 МГц. Интегральная нелинейность – менее единицы младшего разряда, дифференциальная – 0.5 младшего разряда. Динамический диапазон (Spurious-Free Dynamic Range – SFDR) – более 81 дБ, отношение сигнал/шум (Signal-to-noise and distortion ratio – SINAD) – более 62 дБ. Отличительная особенность микросхем GW1NZ (табл. 4, 5) – ультранизкая потребляемая статическая мощность. При напряжении питания ядра 0.9 В статическая потребляемая мощность микросхемы GW1NZ-ZV – всего 28 мкВт, что более чем в 2.4 раза

ниже по сравнению с предлагаемыми конкурентами микросхемами FPGA с флэш-памятью. Структура микросхемы GW1NZ приведена на рис. 6. Таблица. 4. Характеристики микросхем GW1NZ семейства LittleBeе Характеристика

GW1NZ-1

LUT4

1152

Триггеры

864

Объем памяти S-SRAM, Kбит

Объем памяти B-SRAM, Кбит

Объем флэш-памяти, Kбит

Кол. PLL/DLL

1/0

Макс. число портов I/O

Напряжение (VCC), В

1.2(LV), 0.9(ZV)

FPGA с низким уровнем энергопотребления имеют явное преимущество в сравнении с микроконтроллерами для тех приложений, в которых требуется постоянный мониторинг состояния периферийных устройств в системе. В микроконтроллерах для обеспечения мониторинга необходима постоянная работа процессора. И хотя, чтобы уменьшить динамическое энергопотребление, тактовую частоwww.ekis.kiev.u

№ 1, январь-март 2020

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Таблица. 5. Типы корпусов микросхем GW1NZ-1 Тип корпуса

Расстояние между Размер, Порты выводами, мм ввода/вывода мм

FN32

0.4

4×4

CS16

0.4

1.8×1.8

QN48

0.4

6×6

ту в ряде случаев можно снизить, тем не менее, уровень энергопотребления микроконтроллера и в таком случае все еще остается довольно высоким. В качестве альтернативы, если статическая потребляемая мощность FPGA низка, то для выполнения процедуры мониторинга его логическая структура может быть оптимизирована, что позволит в результате уменьшить суммарную потребляемую

мощность. Это особенно важно для таких приложений как IoT (Internet of Things – интернет вещей) и других "постоянно включенных" приложений, поскольку для них крайне важен низкий уровень энергопотребления в процессе непрерывного мониторинга состояния устройства. Основные параметры микросхем FPGA (GW1NR) семейства LittleBeе приведены в табл. 6, 7. Их отличительная особенность – наличие большого объема динамической памяти. Память SDR SDRAM работает с тактовой частотой 200/166/143 МГц (время доступа 4.5 нс), шина данных 16 разрядов, напряжение питания 3.3 В, интерфейс LVTTL. Структура микросхемы GW1NR приведена на рис. 7. Особенность микросхем GW1NSR (табл. 8) – наличие микропроцессорной системы на базе ARM Cortex-M3, АЦП, контроллера USB 2.0 PHY, массива программируемой логики, а также дополнительного

Рис. 6. Структура микросхемы GW1NZ

Рис. 7. Структура микросхемы GW1NR

e mail: ekis@vdmais.ua

№ 1, январь-март 2020

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Таблица. 6. Характеристики микросхем GW1NR семейства LittleBeе Характеристика

GW1NR-4/ GW1NR-4B

GW1NR-9

LUT4

4608

8640

Триггеры

3456

6480

17280

Объем памяти B-SRAM, Кбит

180

468

Количество блоков памяти B-SRAM

Объем флэш-памяти, Kбит

256

608

Объем памяти SDR SDRAM, Mбит

32 (QN88)

64 (MG81)

64 (QN88/LQ144)

128 (MG100)

Количество умножителей 18×18

Количество PLL/DLL

2/2

2/4

Максимальное число портов I/O

218

276

Напряжение питания ядра (LV), В

1.2

Объем памяти S-SRAM, бит

Объем памяти PSRAM, Mбит (тип корпуса)

Количество банков I/O

Напряжение питания ядра (UV), В

2.5/3.3

Таблица. 7. Типы корпусов микросхем GW1NR Тип корпуса

Тип

Память

GW1NR-4/4B

SDR SDRAM, PSRAM

GW1NR-9

SDR SDRAM, PSRAM

MG81

GW1NR-4/4B

PSRAM

MG100

GW1NR-9

PSRAM

LQ144

GW1NR-9

PSRAM

QN88

комбинированного блока ОЗУ HyperRAM/PSRAM объемом до 64 Мбит и блока памяти типа NORфлэш (32 Мбит), которую можно использовать для хранения программного кода Cortex-M3 (рис. 8).

В режиме PSRAM поддерживается обмен данными по 8-разрядной шине данных с использованием спецификации DDR (Double Data Rate) с тактовой частотой 166 МГц. Напряжение питания – 1.8 В. В режиме HyperRAM тактовая частота составляет 200 МГц, шина данных – 8 разрядов, интерфейс – DDR. Напряжение питания – 1.7…2.0 В или 2.7…3.6 В. HyperRAM – это высокоскоростная динамическая память с интерфейсом HyperBUS. По сути, для внешнего контроллера это псевдостатическая память (PSRAM). Для обмена данными с блоком памяти типа NOR-флэш объемом 32 Мбит используется интерфейс SPI/Dual SPI/Quad SPI/QPI. Тактовая частота – 120 МГц. Время стирания сектора данных – 90 мс, всего блока – 20 с. Минимальное число циклов сти-

Рис. 8. Структура микросхемы GW1NSR

www.ekis.kiev.u

№ 1, январь-март 2020

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Таблица. 8. Характеристики микросхем GW1NSR семейства LittleBeе Характеристика

GW1NSR-2

GW1NSR-2C

GW1NSR-4

GW1NSR-4C

LUT4

1728

4608

Триггеры

1296

3456

Объем памяти B-SRAM, Кбит

180

Кол. блоков памяти B-SRAM

Кол. умножителей 18×18

—

Объем флэш-памяти, Kбайт

128

Объем памяти PSRAM, Mбит

Объем памяти HyperRAM, Мбит

—

NOR-флэш, Мбит

—

Кол. PLL/DLL

1/2

2/2

1 (±5)

—

Cortex-M3

—

Cortex-M3

Генератор (погрешность, %) Процессорное ядро Контроллер USB

USB 2.0 PHY

—

АЦП

—

Кол. банков I/O

Макс. число портов I/O

102

106

Напряжение питания ядра, В

1.2

рания/записи – 100 тыс., ориентировочное время хранения данных – 20 лет. Микросхемы серии GW1NSE, кроме массива программируемой логики, содержат аппаратное процессорное ядро ARM Cortex-M3 и специализированный криптографический блок. Микросхема GW1NRF-4B (рис. 9) – изготовленная в одном корпусе типа QFN-48 (размерами всего 6×6 мм) система на кристалле, содержащая:

• конфигурируемые функциональные блоки CFU, в состав которых входит 4.6 тыс. LUT4 • оптимизированный по уровню потребляемой мощности 32-разрядный микропроцессор ARC (Synopsys) • приемопередатчик Bluetooth 5.0 Low Energy (Bluetooth LE). Области применения – беспроводное радио, беспроводные датчики, аудио и видео приложения,

Рис. 9. Структура системы на кристалле GW1NRF

e mail: ekis@vdmais.ua

№ 1, январь-март 2020

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Рис. 10. Варианты применения GW1NRF устройства IoT и другие портативные устройства, использующие интерфейс Bluetooth LE. В микросхеме GW1NRF-4B содержится блок управления, обеспечивающий различные энергосберегающие режимы работы, в том числе, возможность полного отключения устройства, что позволяет снизить ток потребления до 5 нА. Как правило, Bluetooth-приложения работают от автономных элементов питания, в связи с чем остро стоит проблема энергосбережения. Возможные варианты применения микросхемы GW1NRF-4B приведены на рис. 10. Ориентировочно микросхемы семейства GW1N можно рассматривать в качестве альтернативы FPGA MAX10 (Intel), а также iCE40, MachXO2 и MachXO3 (Lattice).

СРЕДСТВА РАЗРАБОТКИ САПР GOWIN EDA для разработки проектов с использованием микросхем FPGA компании GOWIN, как и документацию на продукты компании, можно загрузить после регистрации с web-сайта компании. Для работы с САПР требуется лицензионный файл (бесплатный), который предоставляется по запросу на web-сайте компании. Среда разработки содержит все необходимые для процесса проектирования этапы (от собственно описания проекта до аппаратной внутрисхемной отладки). Компания

предлагает также IP-ядра (контроллеры внешней памяти, контроллер CAN и Ethernet, процессорные ядра ARM Cortex-M1, RISC-V и др.), а также разнообразные аппаратные модули, которые можно использовать в процессе разработки пользовательских проектов (рис. 11), с подробным описанием которых можно ознакомиться на web-сайте компании GOWIN Semiconductor. Более полную информацию о продукции фирмы GOWIN Semiconductor можно найти на web-сайте https://gowinsemi.com.

ЛИТЕРАТУРА 1. World High-End FPGA market: comprehensive study explores huge growth by 2025. 2. ‘Made in China 2025’: the Guangzhou start-up aiming big in semiconductors. 3. GW1NS series of FPGA Products Data Sheet. 4. GW1NSER series of Secure FPGA Products Datasheet. 5. GW2A series of FPGA Products Data Sheet. 6. GW2AR series of FPGA Products Data Sheet. 7. DK-START-GW2AR18 User Guide. 8. Wireless Edge Connectivity with Bluetooth Integrated FPGAs White Paper. 9. http://www.mat7lab.com/m/news.asp?id=386.

Рис. 11. Плата DK-START-GW2AR18 и DK-START-GW1NR9

www.ekis.kiev.u

№ 1, январь-март 2020

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ РЕЛЕ ПРОИЗВОДСТВА КОМПАНИИ OMRON OMRON ELECTROMECHANICAL RELAYS статье приведена краткая информация о характеристиках электромеханических реле общего назначения, производимых компанией Omron. В. Макаренко

Корпорация Omron является хорошо известным в мире поставщиком высококачественного и высокопроизводительного электронного оборудования и компонентов. Управление деятельностью, связанной с продажей электронных компонентов в Европе, странах СНГ, Ближнем и Среднем Востоке и Африке, осуществляется европейской штаб-квартирой Omron Electronic Components Europe в Нидерландах [1], которая, в свою очередь, подчиняется непосредственно штаб-квартире Omron в Японии. Всю необходимую техническую поддержку потребителям продукции напрямую оказывают специалисты европейской штаб-квартиры в Нидерландах. Подразделения компании работают по многим направлениям. Omron Healthcare является лидером в производстве медицинского оборудования для лечения и диагностики. Ассортимент продукции включает устройства для контроля кровяного давления, измерения температуры, приборы для респираторной терапии, электронные термометры и жироанализаторы. Omron Industrial Automприion – ведущий производитель высокотехнологичных продуктов и приложений для промышленной автоматизации. Omron Inspection Systems – производитель систем автоматики. Omron Electronic Components – производитель электронных компонентов высокой надежности для любой области электронной промышленности. Одним из ведущих направлений выпускаемой компанией продукции являются реле. Все реле можно разделить на шесть больших групп: • мощные реле для установки на печатные платы (PCB Power) • сигнальные реле для установки на печатные платы (PCB Signal) • автомобильные реле – съемные реле (plug-in) – реле для установки на печатные платы (PCB) • универсальные реле (general purpose) • твердотельные (оптоэлектронные) реле • реле на полевых транзисторах e mail: ekis@vdmais.ua

he article provides brief information about the characteristics of general-purpose electromechanical relays manufactured by Omron. V. Makarenko

Аbstract –

– для установки в сквозные отверстия (through-hole) – для поверхностного монтажа (PCB) – миниатюрные (small outline). Корпорацией Omron выпускаются уникальные по своим характеристикам реле. К ним относятся сигнальные высокочастотные электромагнитные реле с малыми потерями, которые можно использовать для коммутации сигналов в диапазоне частот до 26.5 ГГц [2]. Компания постоянно совершенствует характеристики выпускаемых реле. Рассмотрим характеристики освоенных в производстве в 2019 году электромагнитных реле [3].

РЕЛЕ G2RL Мощное реле G2RL [4] для установки на печатную плату (рис. 1). Низкопрофильное силовое реле с высотой корпуса 15.7 мм для установки в малогабаритное оборудование. Широкий выбор однополюсных и двухполюсных вариантов исполнения, коммутируемый ток до 16 А, потребляемая мощность не более 250 мВт. Основные параметры реле серии G2RL: • максимальное коммутируемое напряжение 400 В(AC), 300 В (DC) • время включения 15 мс • время выключения 5 мс • сопротивление контактов 100 мОм • диапазон рабочих температур -40…85 °C (105 °C для варианта исполнения -CV) • габаритные размеры 29×12.7×15.7 мм • соответствует VDE (EN61810-1), UL508 и CSA22.2 • соответствует требованиям IEC / EN 60335-1 (модель -HA) • система изоляции катушки: класс F (UL1446) • соответствует IEC / EN 60079-15 (за исключением моделей G2RL-1 (A) -H, G2RL-1A-E-CV (-HA)).

№ 1, январь-март 2020

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

ведены в табл. 1...4. В табл. 5 приведена расшифровка названий контактных групп реле.

G5NB-EL

Рис. 1. Реле серии G2RL Параметры различных моделей реле G2RL при-

Тонкое компактное реле G5NB-EL [5] с током нагрузки до 7 А для монтажа на печатную плату (рис. 2). Обеспечивает не менее 200 000 переключений при токе нагрузки 5 А (250 В переменного тока). Соответствует требованиям стандарта IEC/EN 60335-1 и IEC/EN 60079-15 (только для модели G5NB-1A4-EL-HA). Максимальная рабочая температура 85 °С.

Таблица 1. Параметры различных моделей реле серии G2RL

Назначение

Классификация

Контакты

Особенности

Модель

Влагозащищенное

G2RL-1A

Герметичное

G2RL-1A4

Рабочее напряжение постоянного тока, В

SPST-NO (1a) Влагозащищенное

G2RL-1

Герметичное

G2RL-14

Влагозащищенное

G2RL-2A

Герметичное

G2RL-2A4

SPDT (1c) Стандартное DPST-NO (2a) 5, 12, 24, 48

G2RL-2 Влагозащищенное DPDT (2c)

G2RL-2-ASI Герметичное

Общего назначения

G2RL-24 G2RL-1A-E

Влагозащищенное

G2RL-1A-E-ASI

SPST-NO (1a) G2RL-1A-E-CV Герметичное

5, 12, 24

G2RL-1A4-E

Мощное G2RL-1-E Влагозащищенное

5, 12, 24, 48

G2RL-1-E-ASI

SPDT (1c) Герметичное Высокой чувстви- SPST-NO (1a) тельности SPDT (1c)

5, 12, 24

G2RL-14-E

5, 12, 24, 48

G2RL-1A-H G2RL-1-H

SPDT (1c) Стандартное

G2RL-1-E-PW

G2RL-1-HA

DPST-NO (2a)

G2RL-2A-HA Влагозащищенное

DPDT (2c)

Домашнее оборудование

5, 12, 24 G2RL-2-HA G2RL-1A-E-HA

SPST-NO (1a) Мощное

G2RL-1A-E-CV-HA SPDT (1c)

G2RL-1-E-HA www.ekis.kiev.u

№ 1, январь-март 2020

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Таблица 2. Электрические характеристики реле серии G2RL Тип

Рабочее напряжение (DC), В

Рабочий ток, мА

Сопротивление катушки, Ом

80.0

62.5

33.3

360

16.7

1440

8.96

5358

20.8

576

10.42

2304

Стандартное, мощное

Потребляемая мощность, мВт

400

250

Высокой чувствительности

Таблица 3. Нагрузочные характеристики реле серии G2RL Большой Высокой мощности чувствительности (активная нагрузка) (активная нагрузка)

Стандартное (активная нагрузка) Тип реле 1 группа контактов

2 группы контактов одиночный

Тип контакта Материал контакта

1 группа контактов

Ag-легированный (Cd)

Номинальная нагрузка Номинальный ток

12 A при 250 В (AC) 12 A при 24 В (DC) 12 А

Максимальное коммутируемое напряжение Максимальный коммутируемый ток

8 A при 250 В (AC) 16 A при 250 В (AC) 10 A при 250 В (AC) 8 A при 30 В (DC) 16 A при 24 В (DC) 8 A (70 °C)/5 A (85 °C)

16 A

10 A

440 В (AC), 300 В (DC) 12 A

16 A

10 A

Время срабатывания и отпускания по 10 мс. Напряжение пробоя, импульсное допустимое напряжение, ударопрочность, механическая долговечность как у реле G5NB-EL (табл. 7). Электрическая долговечность обеспечивает не менее 200 000 переключений при напряжении 250 В(AC) и токе 3 A. Аналогичный показатель и для постоянного тока 30 В/3 А. Потребляемая мощность не превышает 200 мВт. Диапазон рабочих температур -40…85 °C. Рис. 2. Реле серии G5NB-EL

G5NB Однополюсные реле G5NB [6] имеют характеристики схожие с реле серии G2RL. Эти реле имеют одну группу нормально-разомкнутых контактов. Они выпускаются в двух модификациях – стандартные и мощные (рис. 3). Напряжение питания реле 5, 12, 18 и 24 В. Коммутируемый ток 3 A при 125 В(AC), 5 A при 250 В(AC) и 3 A при 30 В(DC). e mail: ekis@vdmais.ua

Рис. 3. Реле серии G5NB

№ 1, январь-март 2020

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Таблица 4. Характеристики надежности реле серии G2RL Параметр

Значение

Время срабатывания, мс

Время отпускания, мс

Сопротивление изоляции, МОм

1000

Между катушкой и контактами

5000 (AC), 50/60 Гц, 1 мин.

Между разомкнутыми контактами

1000 (AC), 50/60 Гц, 1 мин.

Напряжение пробоя, В Импульсное выдерживаемое Между катушкой и контактами напряжение, кВ

10 (1.2×50 мкс) 1 000 м/с2

До разрушения Ударопрочность

100 м/с2

До возникновения сбоев Долговечность механическая

Долговечность электрическая (при активной нагрузке)

20 000 000 операций, минимум

При 25 °С

50 000 переключений при 250 В(AC), 12 A (однополюсн.) * 30 000 переключений при 24 В(DC), 12 A (однополюсн.) *

При 85 °С

(G5NB-1A-EL-HA-A85) 100 000 переключений при 250 В(AC), 5 A 50 000 переключений при 250 В(AC), 7 A -40…85 °C

Диапазон рабочих температур Относительная влажность

5… 85%

Масса

4г

* – для двухполюсных реле ток через контакты снижается до 8 А. Для G2RL-1A-E(-ASI,-HA), G2RL-1-E(-ASI,-HA, -PW): 30 000 переключений при 250 В(AC), 16 A, 30 000 переключений при 24 В(DC), 16 A. Для G2RL-1A-E-CV(-HA): 50 000 переключений при 250 В(AC), 16 A при 105 °C. Таблица 5. Расшифровка названий контактных групп реле Обозначение Наименование Буквенное США Нормально-разомкнутый контакт Нормально-замкнутый контакт Переключатель

SPST-NO (1a) (Single Pole, Single Throw, Normaly Open) SPST-NC (1b) ( Single Pole, Single Throw, Normaly Closed) SPDT (1c) (Single Pole, Double Throw)

Двойной нормально-разомкнутый

DPSТ-NO (2a) (Double Pole, Single Throw, Normaly Open)

Двойной переключатель

DPDT (2c) (Double Pole, Double Throw)

Графическое

www.ekis.kiev.u

№ 1, январь-март 2020

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Таблица 6. Нагрузочные характеристики реле серии G5NB-EL

Контакты

Особенности

Тип

G5NB-1A4-EL-HA(-SP)

Постоянное рабочее напряжение/рабочий Рассеиваемая Сопротивление ток/сопротивление мощность, мВт контактов, мОм катушки, В 5 В/40 мА/ 125 Ом

Герметичное G5NB-1A4-EL-HA-PW(-SP) 12 В/16.7 мА/720 Ом

SPST-NO (1a) Влагозащищенное

G5NB-1A-EL-HA-A85

200

не боле 100

24 В/8.3 мА/2.88 кОм

Таблица 7. Характеристики надежности реле серии G5NB-EL Параметр

Значение

Время срабатывания, мс

Время отпускания, мс

Сопротивление изоляции, МОм

1000

Между катушкой и контактами Напряжение пробоя, В Между разомкнутыми контактами Импульсное выдерживаемое напря- Между катушкой жение, кВ и контактами

4000 (AC), 50/60 Гц, 1 мин. 750 (AC), 50/60 Гц, 1 мин. 10 (1.2×50 мкс) 1 000 м/с2

До разрушения Ударопрочность До возникновения сбоев Долговечность механическая

100 м/с2 5 000 000 переключений минимум

При 25 °С

200 000 переключений при 250 В(AC), 5 A 50 000 переключений при 250 В(AC), 7 A 100 000 переключений при 30 В(DC), 5 A

При 85 °С

(G5NB-1A-EL-HA-A85) 100 000 переключений при 250 В(AC), 5 A 50 000 переключений при 250 В(AC), 7 A

Долговечность электрическая (при активной нагрузке)

Диапазон рабочих температур Относительная влажность Масса

-40…85 °C 5… 85% 4г

G5Q Однополюсные миниатюрные реле серии G5Q [7] имеют характеристики схожие с реле серии G5NB, но имеют либо одну группу нормально-разомкнутых контактов (потребляемая мощность 200 мВт), либо одну группу контактов на переключение (потребляемая мощность 400 мВт). Внешний вид реле приведен на рис. 4. Реле серии G5Q выпускаются на рабочее напряжение 5, 9, 12 и 24 В в двух вариантах исполнения – герметичное и влагозащищенное. Время срабатывания 10 мс, время отпускания 5 мс. Напряжение пробоя 4 кВ, импульсное допустимое напряжение 8 кВ, ударопрочность, механическая долговечность как у реле G5NB-EL (табл. 7). e mail: ekis@vdmais.ua

Рис. 4. Реле серии G5Q Электрическая долговечность обеспечивает: – для нормально разомкнутых контактов • 25 000 переключений при напряжении 250 В(AC) и токе 10 A

№ 1, январь-март 2020

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

• 50 000 переключений при напряжении 125 В(AC) и токе 10 A • 200 000 переключений при напряжении 125 В(AC) и токе 3 A • 50 000 переключений при напряжении 250 В(AC) и токе 5 A • 100 000 переключений при напряжении 250 В(AC) и токе 3 A • 100 000 переключений при напряжении 30 В(DC) и токе 5 A – для нормально замкнутых контактов • 200 000 переключений при напряжении 125 В(AC) и токе 3 A • 100 000 переключений при напряжении 250 В(AC) и токе 3 A • 100 000 переключений при напряжении 30 В(DC) и токе 3 A. Диапазон рабочих температур -40…85 °C. Масса реле не более 6.5 г.

G7EB Мощное высокотемпературное силовое реле с максимальным коммутируемым током 100 А (рис. 5). Имеет одну группу сдвоенных нормально разомкнутых контактов. Реле выпускается в двух модификациях: • стандартная G7EB-1A • специальная G7EB-1AP1.

Рис. 5. Реле серии G7EB Напряжение питания 12 или 24 В. Потребляемая мощность 2.8 Вт. При подаче на реле удерживающего напряжения (приблизительно 45% от напряжения срабатывания) мощность потребления уменьшается до 575 мВт. Номинальный ток нагрузки 100 А при 480 В переменного тока (40 А при 800 В переменного тока). Максимальное коммутируемое напряжение 800 В. Сопротивление контактов в замкнутом состоянии 1.5 мОм. Сопротивление изоляции 1000 МОм. Время срабатывания реле 30 мс, время отпускания – 10 мс. Диэлектрическая прочность между катушкой и контактами 5 000 В(AC), 50/60 Гц в течении 1 мин, между контактами 2 000 В(AC), 50/60 Гц в течении 1 мин. Выдерживаемое импульсное напряжение между катушкой и контактами 10 кВ (1.2×50 мкс). Ударопрочность до разрушения 1000 м/с2, до

Таблица 8. Нагрузочные характеристики реле серии G5Q Нагрузка/Параметр

Активная нагрузка Нормально-разомкнутый контакт Стандартное

Большой мощности

Число контактных групп

Стандартное

Большой мощности

одна

Материал контактов

Номинальная нагрузка

Группа на переключение

Ag-легированный (Cd)

10 A при 125 В(AC) 3 A при 125 В(AC) 5 A при 250 В(AC) 3 A при 250 В(AC) 5 A при 30 В(DC)

10 A при 250 В(AC) 3 A при 125 В(AC) 5 A при 250 В(AC) 3 A при 250 В(AC) 5 A при 30 В(DC)

10 A при 125 В(AC) (NO) 3 A при 125 В(AC) (NO) 5 A при 250 В(AC) (NO) 3 A при 250 В(AC) (NO) 5 A при 30 В(DC) (NO) 3 A при 125 В(AC) (NC) 3 A при 250 В(AC) (NC) 3 A при 30 В(DC) (NC)

10 A при 250 В(AC) (NO) 3 A при 125 В(AC) (NO) 5 A при 250 В(AC) (NO) 3 A при 250 В(AC) (NO) 5 A при 30 В(DC) (NO) 3 A при 125 В(AC) (NC) 3 A при 250 В(AC) (NC) 3 A при 30 В(DC) (NC)

Номинальный ток 10 A (NO)/3 A (NC) Максимальное 277 В(AC), 30 В(DC) коммутируемое напряжение Максимальный AC: 10 A (NO)/3 A (NC) DC: 5 A (NO)/3 A (NC) коммутируемый ток NO – нормально разомкнутый контакт, NC – нормально замкнутый контакт

www.ekis.kiev.u

№ 1, январь-март 2020

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

возникновения сбоев 100 м/с2. Механическая долговечность 1 000 000 срабатываний. Электрическая долговечность обеспечивает: • 300 переключений при напряжении 480 В(AC), токе 100 A и температуре 85 °C • 30 000 переключений при напряжении 800 В(AC) и токе 40 A (1 секунда контакты замкнуты, 9 секунд контакты разомкнуты). Диапазон рабочих температур -40…85 °C. Масса реле не более 100 г. Несмотря на то, что в настоящее время выпус-

каются твердотельные реле и реле на полевых транзисторах, еще во многих случаях электромеханические реле не могут быть заменены ими. В [1] приведена сравнительная характеристика некоторых параметров твердотельных и электромеханических реле. Как следует из этих данных электромеханические реле во многих случаях невозможно заменить. Более подробную информацию о продукции компании Omron можно найти на сайте https://industrial.omron.eu/en/home.

ЛИТЕРАТУРА 1. https://omron.eu/en/home 2. В. Макаренко Электронные компоненты производства компании Omron // http://www.ekis.kiev.ua/UserFiles/Image/pdfArticles/ekis101_p32_37o.pdf 3. http://components.omron.eu/ProductFinder.aspx 4.https://omronfs.omron.com/en_US/ecb/products/pdf/en-g2rl.pdf 5.http://omronfs.omron.com/en_US/ecb/products/pdf/en-g5nb_el.pdf 6.http://omronfs.omron.com/en_US/ecb/products/pdf/en-g5nb.pdf 7.http://omronfs.omron.com/en_US/ecb/products/pdf/en-g5q.pdf 8.http://components.omron.eu/getattachment/6c33caed-a941-4374-a891c68a543d11fc/%E3%80%90G7EB%E3%80%91%E8%8B%B1%E6%96%87-English_J236-E1-01.pdf.aspx

e mail: ekis@vdmais.ua

№ 1, январь-март 2020

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ТЕХНОЛОГИЯ LI-FI КАК АЛЬТЕРНАТИВА WI-FI статье приведена краткая информация о перспективной технологии беспроводной связи, обеспечивающей высокую скорость передачи данных, использующей для этого модуляцию интенсивности светового потока светодиодных светильников либо отдельных светодиодов. Приведены примеры возможных применений технологии Li-Fi. В. Макаренко

LI-FI TECHNOLOGY AS AN ALTERNATIVE TO WI-FI

Учитывая нехватку спектральных ресурсов в традиционных беспроводных сетях, стало популярным создание систем связи в видимом свете (Visible Light Communication – VLC). Они обеспечивают высокую энергоэффективность, широкую полосу пропускания канала связи, высокую безопасность и не требуют лицензирования, что позволит им стать частью будущих беспроводных систем. Однако, традиционные стратегии построения сетей не всегда применимы к сетям VLC. Поэтому, для таких сетей предполагается использовать точки доступа с несколькими светодиодами, разработанные для гибридных систем связи LiFi-WiFi внутри помещений. Это позволит получить значительный выигрыш в пропускной способности внутренних сетей Wi-Fi с помощью комбинированных сетей. Термин Li-Fi (Light Fidelity) был предложен профессором Харальдом Хассом из Эдинбургского университета. Light Fidelity – беспроводная технология связи при помощи видимого света. Как и любая оптическая беспроводная связь, Li-Fi использует оптическое излучение для передачи данных, преимущественно в видимом диапазоне спектра [1]. Светодиодные источники света идеальны для реализации технологии Li-Fi. Ток через светодиоды, используемые для передачи данных в Li-Fi, модулируется сигналами высокой частоты и поэтому человеческий глаз не замечает изменения яркости свечения светильников в виде мерцаний. Одно из наиболее существенных преимуществ технологии Li-Fi заключается в очень высокой пропускной способности системы связи, построенной на ее основе. Это объясняется тем, что спектр видимого света на несколько порядков шире радиочастотного спектра. Система связи Li-Fi может быть реализована с помощью светодиодных осветительных приборов (или отдельных светодиодов), которые нужно дополнить сигнальным процессором и специализиро-

he article provides brief information about a promising wireless communication technology that provides high data transfer rates, using for this modulation of the light flux intensity of LED lamps or individual LEDs. Examples of possible applications of Li-Fi technology are given. V. Makarenko

Аbstract –

ванным программным обеспечением. Как и Wi-Fi, данные, поступающие через интернет-маршрутизатор, передаются в сигнальный процессор, который и осуществляет модуляцию света. Фотоприемник преобразует световой сигнал в цифровой сигнал данных (рис. 1). Для организация двухсторонней связи в системе Li-Fi используется дополнительно инфракрасные светодиод и фотодиод в восходящем канале. Для организации нескольких независимых нисходящих каналов оптической связи можно использовать светодиоды разного цвета [2]. Теоретически достижимая скорость передачи данных в системе Li-Fi составляет более 200 Гбит/с.

Рис. 1. Структурная схема системы связи Li-Fi с двухсторонней передачей данных Использование света для создания высокоскоростной системы связи открывает доступ к огромwww.ekis.kiev.u

№ 1, январь-март 2020

ному нелицензированному диапазону частот за пределами традиционного радиочастотного спектра. Широкое использование систем светодиодного освещения позволяет использовать такую систему связи в любых помещениях со светодиодными светильниками По словам Николая Серафимовски, председателя IEEE 802.11 Light Communication (LC) Task Group (TG), цель Тематической группы состояла в том, чтобы определить технические и экономические возможности, при использовании оптического диапазона для беспроводной связи, и сформировать технические спецификации [3]. Считается, что IEEE 802.11 является лучшим форумом для продвижения глобальных усилий по стандартизации для коммуникаций с производителями, операторами и конечными пользователями, возникающими в процессе стандартизации. Продвижение этой работы в TG поможет пользователям в домашних, корпоративных и промышленных средах, а также поможет производителям и операторам предоставлять общие компоненты и услуги для пользователей IEEE 802.11. Разработка стандарта IEEE 802.11bb позволит заложить основу для внедрения продуктов массового рынка, используя систему светодиодного освещения, которая имеет глобальное развертывание и насчитывает миллиарды устройств. Хотя в 2011 году опубликована первая версия стандарта для беспроводных компьютерных сетей, использующих видимый свет для передачи данных: IEEE 802.15.7-2011 – IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks – Part 15.7: Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light [4], он не обеспечивает высокую скорость передачи данных. Стандарт IEEE 802.15.7 определяет физический уровень (PHY) и уровень управления доступом к среде (MAC). Стандарт определяет три физических (PHY) уровня с разными пропускными способностями: 1. PHY I для наружного применения и обеспечивает скорость передачи данных от 11.67 до 267.6 Кбит/сек. 2. PHY II позволяет достигать скоростей передачи данных от 1.25 до 96 Мбит/с. 3. PHY III предназначен для множественных источников с определенным методом модуляции Color Shift Keyring (CSK), скорость передачи данных от 12 до 96 Мбит/с. Поэтому и осуществляется разработка стандарe mail: ekis@vdmais.ua

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

та IEEE 802.11bb. По прогнозам Cisco, число Интернет вещей (IoT) в 2020 году увеличится до 50 миллиардов подключенных устройств. Для обеспечения высокоскоростной связью одновременно большого числа пользователей наиболее подходящей технологией является связь в видимом диапазоне света. Это особенно актуально в условиях значительных электромагнитных помех. Такая технология может использоваться в больницах, супермаркетах, бизнесцентрах, пресс-центрах, на нефтехимических заводах, в самолетах и во многих других случаях. Кроме того, Li-Fi также будет использоваться для существенного улучшения внутренних беспроводных коммуникаций в жилых домах. У технологии Li-Fi есть и другие преимущества. Одним из основных является повышенный уровень безопасности, связанный с тем, что свет не проникает сквозь стены. Еще одним преимуществом является повышение надежности сети. Li-Fi передатчики могут быть встроены в каждый светильник в комнате или в здании, тем самым устраняя узкое место структуры сети Wi-Fi. Эти качества делают Li-Fi особенно привлекательной альтернативой в случаях, когда сигналы Wi-Fi значительно ослабляются, или там, где использование Wi-Fi не разрешается (например, на атомных электростанциях), а также там где требуется быстрая и безопасная передача больших объемов данных (например, в больницах). Поскольку Li-Fi приемники реагируют на изменения интенсивности света, то Li-Fi может работать при дневном освещении. При использовании Li-Fi во внутренних помещениях зданий не требуется прямой видимости между светильником и приемником оптического излучения, так как отраженный от стен и других поверхностей свет может также восприниматься приемником. Но, как и в случае с любой технологией у Li-Fi также есть недостатки, наиболее заметным из которых является высокая стоимость внедрения, по крайней мере, на данный момент времени. Кроме того, дальность связи не превышает 10 м, в то время как для Wi-Fi до 32 м. Помимо этого, технология Li-Fi не обеспечивает связь в темноте или при отсутствии светодиодных светильников. В последние несколько лет Li-Fi уже используется в ограниченном числе мобильных приложений. Наиболее известным из них является использование Li-Fi в больших торговых центрах с целью увеличения продаж путем предоставления купонов или другой рекламной информации. Связь является од-

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

носторонней и требует, чтобы мобильные телефоны покупателей могли принимать сигналы Li-Fi через специальное приложение. Заметным выходом на рынок Li-Fi является недавно анонсированный набор систем от компании Signify (ранее Philips Lighting), получивший наименование Trulifi. Компания заявляет о скорости передачи данных до 150 Мбит/с при передаче данных от различных светильников к пользователю, а при фиксированной паре точка-точка – до 250 Мбит/с. Набор предназначен для включения в новые или модифицированные системы освещения Signify. Недавно в пресс-центре стадиона немецкого футбольного клуба Гамбург [1] была установлена система освещения с использованием ламп серии Trulifi для обеспечения высокоскоростной связью журналистов. Каждому журналисту предоставляется модуль с USB-портом, который обеспечивает двустороннюю высокоскоростную связь с использованием технологии Li-Fі через светильники пресс-центра. Хотя технология имеет много привлекательных функций, широкое распространение она пока не получила. Основным сдерживающим фактором является отсутствие отраслевого стандарта, работа над которым ведется в настоящее время [5, 6]. Для реализации системы Li-Fi необходимо следующее аппаратное обеспечение: 1. Светодиодная система освещения либо отдельные светодиоды. 2. Маршрутизатор, установленный вместе с системой освещения. 3. Приемник, который оснащен декодером с целью расшифровки светового сигнала. Одна из последних разработок мобильных устройств, поддерживающих работу с системой Li-Fi – смартфон от компании Oledcomm, который работает под управлением ОС Android (рис. 2). У смартфона имеется одна важная модификация: вместо фронтальной камеры в него встроен Li-Fi сенсор, который получает команды от светодиодных ламп, расположенных поблизости от смартфона, что позволяет просматривать на устройстве изображения и видеоролики. Кроме того, компания продемонстрировала прототип компактного внешнего Li-Fi-приемника, который подключается к смартфону посредством 3.5-миллиметрового разъема. Такой приемник позволяет получать данные Li-Fi на устройствах, которые не оборудованы модулем. Компания Oledcomm планирует внедрять свою разработку в планшеты и

№ 1, январь-март 2020

Рис. 2. Внешний вид смартфона от компании Oledcomm смартфоны, что позволит расширить область применения технологии Li-Fi. Следует учесть, что практически все, выпускаемые в настоящее время смартфоны и планшеты, способны принимать сигналы системы Li-Fi используя либо датчик освещенности, либо фронтальную камеру. Необходимо только установить на них специализированное программное обеспечение. Приведем некоторые примеры возможных применений технологии Li-Fi.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В МЕДИЦИНЕ Особенность системы Li-Fi в том, что она не создает электромагнитные помехи для медицинского оборудования. К тому же эта технология не подвержена действию МРТ-сканеров. Эти факторы позволяют организовать систему высокоскоростной сети передачи данных в больницах и крупных медицинских центрах (рис. 3).

Рис. 3. Пример использования технологии Li-Fi в больнице

ОПАСНОЕ ПРОИЗВОДСТВО Использование Li-Fi-технологии позволяет создать безопасную альтернативу системам связи с электромагнитным излучением на нефтехимических предприятиях. www.ekis.kiev.u

№ 1, январь-март 2020

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Датчики, использующие технологию Li-Fi, могут определять положение человека в помещении с точностью до 30 см [7], что позволяет использовать их на промышленных предприятиях. Это дает возможность постоянно следить за безопасностью работников. Например, они могут обнаруживать, когда работники находятся слишком близко к потенциально опасному оборудованию. На основе данных и функциональных возможностей подключенной системы освещения управляющее программное обеспечение интеллектуального промышленного объекта может использовать систему связи Li-Fi для оповещения работников путем отправки звуковых или вибрационных сигналов, предупреждающих об опасности, а также для отключения или автономного перемещения оборудования, если это возможно.

протяженных туннелях, в поездах метро и во многих других случаях.

КОММУНИКАЦИИ ПОД ВОДОЙ Вследствие сильного поглощения сигнала применение радиосигналов в воде нецелесообразно. Акустические сигналы отличаются низкой скоростью передачи данных, к тому же тревожат морских животных. Использование Li-Fi-технологии позволяет успешно решать данные проблемы для связи на небольшом расстоянии (рис. 5).

ШАХТЫ И ТУННЕЛИ Система связи в видимом свете могут широко использоваться в подземных шахтах для поддержки надежной связи благодаря своим преимуществам по сравнению с Wi-Fi. К этим преимуществам можно отнести низкое энергопотребление, широкий диапазон частот (430…790) ТГц, более высокие скорости передачи данных и малое количество требуемого оборудования. Если учесть, что радиоволны быстро затухают (если подземные выработки имеют изгибы или ответвления) и не позволяют обеспечить надежную беспроводную связь, то альтернативы для беспроводной связи с помощью света просто нет. Даже с учетом запыления в шахтах при небольших расстояниях между источником света и приемником будет обеспечиваться надежная оптическая связь (рис. 4). Такую систему связи можно использовать как для сбора данных с различных датчиков, так и для предупреждения об опасности.

Рис. 5. Использование технологии Li-Fi для подводной связи

АВИАЦИЯ Технология Li-Fi может быть задействована с целью уменьшения длины проводки, снижения веса, повышения гибкости в установке оборудования, а также сидений пассажирского салона, в которых уже установлены LED-светильники. Система развлечений на борту сможет поддерживаться и взаимодействовать с устройствами пассажиров (рис. 6).

Рис. 4. Использование технологии Li-Fi в шахтах Аналогичные системы можно использовать в e mail: ekis@vdmais.ua

Рис. 6. Использование технологии Li-Fi в самолетах

№ 1, январь-март 2020

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ТРАНСПОРТ И ТРАНСПОРТНЫЕ СРЕДСТВА На сегодняшний день уже производятся вывески и светофоры, уличные светильники, задние фонари и фары, где применяются LED-лампы. Благодаря этому может быть обеспечена коммуникация между дорожной инфраструктурой и автомобилями в системах управления дорожным движением, а также обеспечения безопасности. Мониторинг погоды в настоящее время выполняется дорогими профессиональными метеостанциями. Они собирают информацию и могут обрабатывать данные, каталогизировать статистику погоды и даже предоставлять прогнозы относительно ожидаемых условий в ближайшем будущем. Однако у этих сообщений есть ряд недостатков: они носят общий характер, они не могут быть детализированы для определенных небольших участков местности, и информация не попадает к водителям, если она предоставляются в короткие интервалы времени. Применение новых интеллектуальных автомобилей с возможностью связи между ними позволяет установить недорогие датчики, измеряющие параметры окружающей среды, на каждом автомобиле. Периодически регистрируя параметры окружающей среды и положение с помощью системы GPS, системаконтроля автомобиля может с помощью технологии Li-Fi отправлять эту информацию всем автомобилям в зоне доступности и информировать водителей о рискованных ситуациях на дороге, о положении движущего впереди транспорта, скрытого от водителя, и о многом другом. Во многих городах пытаются справиться с проблемами, вызванными возросшим трафиком транс-

порта. В будущем, когда беспилотные транспортные средства заменят нашу нынешнюю систему дорожного движения, основанную на управлении транспортом людьми, интеллектуальная система дорожного движения позволит обеспечить связь между автомобилями и их транспортной средой. Обычно это называется технологией V2X. Используя Li-Fi, систему связи видимого света, автономные автомобили смогут обмениваться информацией между собой и с транспортной сетью, чтобы не допускать ошибок, которые может допустить во время вождения человек. Система на основе Li-Fi дополняет существующие автономные системы, которые используются в автомобилях, такие как радар, LIDAR или видеокамеры. Используя световые импульсы можно отправлять уникальные сигналы от каждого светофора, знака и автомобиля. На рис. 7 приведен пример дорожной инфраструктуры связи с использованием нескольких технологий.

ИГРУШКИ Светодиоды сегодня активно применяются во многих игрушках, благодаря чему может быть построена недорогая система связи между интерактивными игрушками.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ СЛУЖБЫ Локальные и высокоточные информационные службы, к примеру, реклама и навигация. Они обеспечат людей точной информацией, которая связана с конкретным местом и временем. Возможно применение в госучреждениях, банках и других объ-

Рис. 7. Дорожная инфраструктуры связи с использованием нескольких технологий

www.ekis.kiev.u

№ 1, январь-март 2020

ектах, то есть там, где важна безопасность и высокая скорость передачи информации.

ПРИМЕНЕНИЕ В БЫТУ Планируется, что в будущем светодиодные лампы будут сразу выполнять две функции: освещать помещение и создавать беспроводную коммуникационную сеть, которая позволит подключаться к устройствам и к сети Интернет (рис. 8).

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

имеющиеся лампы. Технология также может использоваться для беспроводного соединения двух точек со скоростью передачи данных до 250 Мбит/с. Для подключения к сети Li-Fi разрабатываются специализированные модули (рис. 9), которые позволяют подключать любые устройства, оснащенные интерфейсом USB (рис. 9).

Рис. 9. Специализированный модуль PureLIFI для подключения к сети Li-Fi через порт USB Рис. 8. Примеры применения технологии Li-Fi в быту

ЛИКВИДАЦИЯ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ При ликвидации последствий стихийных бедствий, таких как землетрясения, наводнения или ураганы, когда разрушены многие объекты инфраструктуры, для спасения людей и восстановления разрушенных объектов необходима надежная беспроводная связь. Такую связь можно организовать с помощью технологии Li-Fi. Если модули Li-Fi установить на воздушные шары и сформировать из них сеть, то можно на ограниченной территории обеспечить высокоскоростную связь. Компания Signify, ранее известная как Philips Lighting и выпускающая "умные" лампочки под маркой Hue, анонсировала новую модель ламп Truelifi. Они поддерживают передачу данных Li-Fi и могут обеспечивать передачу данных на планшеты и смартфоны со скоростью до 150 Мбит/с [7]. Эта скорость передачи данных выше, чем в среднем обеспечивают сети 4G и Wi-Fi. Линейка устройств Truelifi будет включать как непосредственно из приборов освещения с функцией передачи данных, так и трансиверов, которыми можно дооснастить уже

e mail: ekis@vdmais.ua

Из проведенного краткого обзора следует, что применение технологии связи Li-Fi во многих случаях позволит обеспечить высокоскоростную надежную связь различных устройств между собой. Путем использования специализированных модулей можно будет подключать устройства, не имеющие встроенных элементов для оптической коммуникации, к сети Li-Fi. Комбинация нескольких технологий совместно с Li-Fi позволит значительно расширить возможности беспроводных систем связи как в общественных местах, так и в быту.

ЛИТЕРАТУРА 1. Yoelit Hiebert Li-Fi: An attractive alternative to Wi-Fi // EDN Network, November 14, 2019. 2. http://www.irisprojects.com/ieee-2018-2019-project-titles-on-lifi/. 3. http://www.ieee802.org/11/Reports/tgbb_update.htm. 4. http://www.ieee802.org/15/pub/SG7a.html. 5. https://beyondstandards.ieee.org/?s=802.11bb. 6. LiFi standardization: LiFi as the IEEE starts working on standardization // https://www.i-scoop.eu/lifi-marketieee-lifi-standardization/. 7.https://www.signify.com/global/search?query=LiFi& page=1.

№ 3, июль-сентябрь 2017

Установщики серии SM PLUS Скоростные установщики EXCEN

SM471P • кол-во устанавливающих головок – 2 моста по 10 головок • скорость установки 78000 комп/час • точность установки (CHIP) ±40 мкм • точность установки (QFP) ±50 мкм • максимальные габариты ПП 510×460, 610×460 опционально

SM481P • кол-во устанавливающих головок – 1 мост на 10 головок • скорость установки 40000 комп/час • точность установки (CHIP) ±40 мкм • точность установки (QFP) ±30 мкм • максимальные габариты ПП 460×400, 1200×460 опционально

SM482P • кол-во устанавливающих головок – 1 мост на 6 головок • скорость установки 30000 комп/час • точность установки (CHIP) ±40 мкм • точность установки (QFP) ±30 мкм • максимальные габариты ПП 460×400, 1200×510 опционально

EXCEN PRO D/EXCEN PRO M • кол-во устанавливающих головок – 2/4 моста по 2/8/16 головок • скорость установки 60000/120000 комп/час • точность установки (CHIP) ±35 мкм • точность установки (QFP) ±30 мкм • максимальные габариты ПП 350×310

VD MAIS – официальный дистрибьютор компании Hanwha Techwin в Украине

тел.: (044) 220-0101, (057) 719-6718, (0562) 319-128, (032) 245-5478, (095) 274-6897, (048) 734-1954, info@vdmais.ua, www.vdmais.ua

• приводные двигатели с более высоким разрешением • повышение точности позиционирования при установке компонентов на 20% • усовершенствование процесса распознавания компонентов с помощью системы технического зрения до и после размещения • работа с печатными платами длиной более 1000 мм

№ 1, январь-март 2020

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

НОВЫЙ МОЩНЫЙ ДРАЙВЕР СВЕТОДИОДОВ КОМПАНИИ MEAN WELL – XLG-240 NEW MEAN WELL LED POWER SUPPLY: XLG-240 статье приведены основные технические характеристики и возможности мощного драйвера светодиодов XLG-240.

Аbstract –

В. Котигорошко Компания Mean Well, предлагает мощный драйвер светодиодов выходной мощностью 240 Вт – XLG-240 [1, 2]. Основные параметры драйвера XLG240 даны в таблице. Высоконадежный драйвер светодиодов XLG-240 (рис. 1) соответствуют классу защиты электротехнического оборудования IP67 и ориентирован на применение в системах внутреннего и наружного светодиодного освещения (стадионов, железнодорожных станций, морских портов и т.п.), декоративной архитектурной подсветки, в качестве источников питания прожекторов и пр.

he main characteristics and possibilities of LED power supplies XLG-240 are considered in the article.

V. Kotigoroshko

(Eurasian Conformity – EAC), т.е. соответствие требованиям Технических Регламентов Таможенного Союза (TP TC 004). TP TC 004 – это Технический Регламент Таможенного Союза "О безопасности низковольтного оборудования". В драйверах XLG-240 в зависимости от модификации реализовано несколько вариантов плавной регулировки выходного тока и, соответственно, яркости свечения светодиодов. Предусмотрено использование сигнала постоянного тока напряжением 0…10 В, ШИМ-сигнала частотой 0.1…3 кГц с регулируемой скважностью и амплитудой 10 В или внешнего резистора. В этом случае сигналы управления уровнем выходного тока или внешний резистор подключаются к выводам драйвера DIM+ и DIM-. Кроме того, выходной ток можно регулировать с помощью встроенного потенциометра. График зависимости срока службы от температуры корпуса, а также величины нагрузки от температуры окружающей среды приведены, соответственно, на рис. 2, 3. Дополнительную информацию о продукции ком-

Рис. 1. Драйвер светодиодов XLG-240 Драйверы XLG-240 поддерживают режим работы со стабилизацией выходной мощности в диапазоне входных напряжений переменного (180…305 В) и постоянного (142…431 В) тока. Конструктивно драйверы выполнены в закрытом металлическом корпусе (IP67) габаритными размерами 219×63×35.5 мм. Гарантийный срок – пять лет. Драйверы XLG-240 выдерживают вибрации с ускорением до 5 g в диапазоне частот 10…500 Гц. Ориентировочный срок службы – 60 тыс. ч при температуре корпуса 70 °С и 100 тыс. ч при температуре 75 °С. Драйверы светодиодов XLG-240 соответствуют рекомендациям ряда европейских и международных стандартов по электромагнитной совместимости и безопасности. Кроме того, драйверы сертифицированы на т.н. Евразийское соответствие e mail: ekis@vdmais.ua

Рис. 2. График зависимости срока службы от температуры корпуса пании Mean Well можно найти в сети Интернет по адресу www.meanwell.com или получить в фирме VD MAIS – официальном дистрибьюторе Mean Well в Украине.

№ 1, январь-март 2020

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Таблица. Характеристики драйверов светодиодов XLG-240 Параметр

XLG-240-L

XLG-240-M

XLG-240-H

Выход Номинальный вых. ток, мА

700

1400

4900

Макс. вых. напряжение на х.х., В

370

186

Номинальная вых. мощность, Вт

239.4

239.6

178…342

90…171

27… 56

Вых. напряжение в режиме стабилизации тока, В Уровень пульсаций вых. тока, % IНОМ

±4

Диапазон регулирования тока, мА

350…1050

Время старта, мс (вх. напряж. перем. тока, В)

700…2100

2200…6660

500 (230), 1200 (115)

Защита от КЗ, перегрева и перенапряжения

+ Вход 100-305 переменного тока (47-63 Гц), 142...431 постоянного тока

Диапазон входных напряжений, В Входной ток, А (вх. напряж. перем. тока, В) Коэффициент мощности PF (тип.)

2.7(115), 1.3 (230), 1.1 (277)

PF ≥0.97 (115 В), PF ≥0.95 (230 В), PF ≥0.92 (277 В) при нагрузке 100%

Коэффициент гармоник (THD), не более, % КПД (тип.), %

10 93

Ток утечки, не более, мА

92.5

0.75 (277 В переменного тока)

Пусковой ток, А (тип.)

85 (230 В переменного тока)

Безопасность, надежность, окружающая среда, габаритные размеры UL8750(HL), CSA C22.2 No. 250.13-12, ENEC EN61347-1, EN61347-2-13, EN62384, GB19510.1, GB19510.14, EAC TP TC 004, IP67

Стандарты безопасности

Прочность изоляции, кВ переменного тока

Сопротивление изоляции, не менее, МОм

Среднее расчетное (MTBF), мин., тыс. ч

время

между

Диапазон рабочих температур, °С Относительная влажность воздуха, % Габаритные размеры, мм Масса, кг Срок службы, тыс. ч Гарантия

отказами

3.75 (вход/выход), 2.0 (вход/корпус), 1.5 (выход/корпус) Вход-выход, вход-корпус, выход-корпус: 100 (500 В пост. тока, 25 °С, влажность 70%) 219.75 (MIL-HDBK-217F, 25℃) 830.77 (Telcordia SR-332, Bellcore) -40...90 20…95 (без выпадения конденсата) 219×63×35.5 1 >50 5 лет www.ekis.kiev.u

№ 1, январь-март 2020

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Продолжение таблицы. Характеристики драйверов светодиодов XLG-240 Электромагнитная совместимость (ЭМС) Наименование

Стандарты

Примеч.

EN55015 (CISPR15)

—

EN61000-3-2

Класс С

Ограничение изменений напряжения, колебаний напряжения и фликера (Voltage Flicker)

EN61000-3-3

—

Помехоустойчивость светового оборудования общего назначения Требования и методы испытаний

EN61547

—

Устойчивость к электростатическим разрядам (ESD)

EN61000-4-2

Степень жесткости испытаний 3, 8 кВ (воздушный разряд). Степень жесткости испытаний 2, 4 кВ (контактный разряд).

Устойчивость к излучаемому электромагнитному полю

EN61000-4-3

Испытательный уровень 2

Устойчивость к наносекундным импульсным помехам

EN61000-4-4

Степень жесткости испытаний 3

EN61000-4-5

• 4 кВ (линия-линия) • 6 кВ (линия-земля)

EN61000-4-6

Степень жесткости испытаний 2

EN61000-4-8

Степень жесткости испытаний 4

EN61000-4-11

-провалы >95% в течение 0.5 периода -провалы >30% в течение 25 периодов -прерывания напряжения >95% в течение 250 периодов

Кондуктивные помехи Электромагнитные Излучаемые помехи помехи Эмиссия гармонических состав(EMC Emission) ляющих потребляемого тока

Электромагнитная Устойчивость к выбросу напряжеустойчивость ния (EMC Immunity) Устойчивость к кондуктивным помехам, наведенным электромагнитным полем Устойчивость к магнитному полю промышленной частоты

Устойчивость к провалам, кратковременным прерываниям и изменениям напряжения электропитания

—

ЛИТЕРАТУРА 1. 240W constant power mode LED driver XLG-240 series. 2. Standard LED driver manufacturer. – Mean Well, June 2019.

Рис. 3. График зависимости величины нагрузки от температуры окружающей среды e mail: ekis@vdmais.ua

№ 1, январь-март 2020

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

НЕИЗОЛИРОВАННЫЕ МОДУЛЬНЫЕ DC/DC-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ КОМПАНИИ MEAN WELL статье приведены основные технические характеристики и возможности неизолированных модульных DC/DC-преобразователей NID35/65/100 компании Mean Well.

NON-ISOLATED DC/DC: NID35/65/100

В. Котигорошко

NID35/65/100 (рис. 1) – семейства неизолированных модульных понижающих DC/DC-преобразователей компании Mean Well, соответственно, выходной мощностью 35/65/100 Вт [1-3]. В каждом из семейств имеется четыре модификации, рассчитанные на выходное напряжение 5, 12, 15 или 24 В. Максимальное входное напряжение постоянного тока 53 В. Преобразователи выпускаются в бескорпусном исполнении, предназначены для работы в диапазоне температур -30…85 °C без использования принудительного охлаждения и соответствуют существующим международным стандартам безопасности. КПД – 92…97% в зависимости от модификации и выходного напряжения. Вариант схемы подключения DC/DC-преобразователя типа NID100 приведен на рис. 2, основные характеристики – в табл. 1. График зависимости величины нагрузки от температуры окружающей среды приведен на рис. 3. Новые DC/DC-преобразователи NID35/65/100 ориентированы на применение в системах промышленной автоматизации и в устройствах для телекоммуникационных систем. Ожидается, что они смогут заменить выпускаемые прежде и хорошо зарекомендовавшие себя DC/DC-преобразователи типа NID30 и NID60. Преобразователи NID35 и NID65 имеют те же габаритные размеры, что и их предшественники, однако отличаются большей удельной мощностью и КПД, а также расширенным температурным диапазоном. Кроме того, гарантийный срок увеличен до трех лет. Предусмотрена защита от перегрузки, перенапряжения и короткого замыкания, а также возмож-

he main characteristics and possibilities of power supplies NID35/65/100 are considered in this article. V. Kotigoroshko

Аbstract –

Рис. 2. Вариант подключения преобразователя NID100 ность дистанционного включения и выключения преобразователей. DC/DC-преобразователи серии NID35/65/100 выдерживают вибрации с ускорением до 2 g в диапазоне частот 10…500 Гц. Диапазон рабочих температур -30…85 °С. Габаритные размеры: • NID35 – 50.8×13×11 мм (Д×Ш×В) • NID65 – 50.8×26×11 мм • NID100 – 50.8×27.2×12 мм. DC/DC-преобразователи NID35/65/100 соответствуют рекомендациям основных европейских и международных стандартов по электромагнитной совместимости (EN61000, критерий А). Кроме того, драйверы сертифицированы на т.н. Евразийское соответствие (Eurasian Conformity – EAC), т.е. соответствие требованиям Технического Регламента Таможенного Союза (TP TC 004). TP TC 004 – это Технический Регламент Таможенного Союза "О безопасности низковольтного оборудования". Основные характеристики DC/DC-преобразователей NID35/65 приведены в табл. 2, 3.

Рис. 1. DC/DC-преобразователи NID35/65/100

www.ekis.kiev.u

№ 1, январь-март 2020

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Таблица 1. Основные характеристики DC/DC-преобразователей семейства NID100 Обозначение Наименование параметра NID100-5

NID100-12

NID100-15

NID100-24

Вход Диапазон вх. напряжений, В

10.5…53

20…53

30…53

Номинальное напряжение, В

24 или 48

5400 (12) 20 93 (12/24), 92 (48)

4500 (24) 30 96 (12/24), 95 (48)

4600 (24) 30 97 (12/24), 95 (48)

2300 (48) 50 96 (48)

Вх. ток, мА (вх. напряж, В) Вх. ток, мА (на х.х ) КПД, типов., % (вх. напряжение, В)

Выход Номинальное вых. напряж., В

Номинальный вых. ток, А

7.5

6.5

4.2

Номинальная вых. мощность, Вт

97.5

100.8

Суммарная погрешность вых. напряж., %

±2

Погрешность вых. вх. напряжения напр., % при изменении тока нагрузки

±0.5 ±0.5

Уровень шумов и пульсаций вых. напряж., п-п, макс. в полосе 20 МГц, мВ

100

120

150

200

Емкость внешнего конденсатора с низким значением ESR, мкФ

100

Частота переключения, кГц

200

КЗ

+ (с авт. восстановлением после устранения причины)

перегрузки

120…250% PНОМ (с авт. восстановлением после устранения причины)

Защита от

6.4…7.5 В

15.6…18 В

17.5…21В

28…33 В

перенапряжения Защита с использованием TVS диода Электромагнитная совместимость (ЭМС) Параметр Электромагнитные Кондуктивные помехи помехи (EMC Emission) Излучаемые помехи

Электромагнитная устойчивость (EMC Immunity)

Стандарты

Примечание

EN55032

Класс А/В

EN55032

Класс А/В

Устойчивость к излучаемому электромагнитному полю

EN61000-4-3

Уровень 2, 3 В/м (критерий А)*

Устойчивость к наносекундным импульсным помехам

EN61000-4-4

Уровень 2, 1 кВ (критерий А)*

Устойчивость к выбросу напряжения

EN61000-4-5

Уровень 2, 1 кВ (критерий А)*

Устойчивость к кондуктивным помехам, наведенным радиочастотным полем

EN61000-4-6

Уровень 2, 3 В (критерий А)*

*критерий А – Характеристики в пределах спецификации Безопасность, окружающая среда, габаритные размеры Стандарты безопасности Диапазон рабочих температур, °С Относительная влажность воздуха, % Габаритные размеры, мм

UL62368-1 (LVD), EAC TP TC 004 -30…85 20…85 (без выпадения конденсата) 50.8×27.2×12

Масса, г

Гарантия

3 года

e mail: ekis@vdmais.ua

№ 1, январь-март 2020

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Таблица 2. Основные характеристики DC/DC-преобразователей семейства NID35 Параметр

NID35-5

NID35-12

NID35-15

NID35-24

17.5

34.8

10.5…53

20…53

30…53

Макс. ток, А

3.5

2.9

2.4

1.5

Уровень шумов и пульсаций вых. напряж., п-п, макс. в полосе 20 МГц, мВ

100

120

150

200

КПД, %

Мощность, Вт Входное напряжение, В Выходное напряжение, В

Таблица 3. Основные характеристики DC/DC-преобразователей семейства NID65 Параметр

NID65-5

NID65-12

NID65-15

NID65-24

32.5

58.8

64.5

64.8

10.5…53

20…53

30…53

Макс. ток, А

6.5

4.9

4.3

2.7

Уровень шумов и пульсаций вых. напряж., п-п, макс. в полосе 20 МГц, мВ

100

120

150

200

КПД, %

Мощность, Вт Входное напряжение, В Выходное напряжение, В

Дополнительную информацию о новых DC/DCпреобразователях компании Mean Well можно найти в [1-3] или в фирме VD MAIS – официальном дистрибьюторе Mean Well в Украине.

ЛИТЕРАТУРА

Рис. 3. График зависимости величины нагрузки от температуры окружающей среды

1. 100W DC-DC Non-isolated regulated converter. – Mean Well. 2018. 2. 65W DC-DC Non-isolated regulated converter. – Mean Well. 2018. 3. 35W DC-DC Non-isolated regulated converter. – Mean Well. 2018.

www.ekis.kiev.u

№ 1, январь-март 2020

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

DC/DC-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ SILENT SWITCHER®2 КОМПАНИИ ANALOG DEVICES статье приведена краткая информация об основных параметрах понижающих преобразователей, изготовленных по технологии Silent Switcher 2, отличающихся низким уровнем электромагнитных помех. Приведены результаты моделирования этих преобразователей в программе LTspice.

SILENT SWITCHER®2 DC/DC CONVERTERS FROM ANALOG DEVICES

В. Макаренко

Один из реальных способов уменьшения сложности проектирования и ускорения разработки источников питания заключается в использовании готовых модульных решений или использовании ИМС, объединяющих множество дискретных компонентов. Такой подход обеспечивает целый ряд важных преимуществ – сокращаются сроки разработки устройств и уменьшаются их габариты. Значительным шагом на пути миниатюризации стало увеличение частоты коммутации ключей импульсных преобразователей. Рост частоты привел к существенному снижению индуктивности и габаритов катушек преобразователей и фильтров. Однако использование более высоких частот переключения ключей часто приводит к проблемам с электромагнитной совместимостью (ЭМС). При разработке модулей питания проблеме ЭМС приходится уделять большое внимание. Большинство производителей модулей питания в настоящее время предлагают семейства модулей и микросхем, что дополнительно упрощает проектирование систем электропитания. Но, как и во всех других областях, не все модули одинаковы. Они отличаются габаритами, КПД, способом и качеством отвода тепла, сложностью их использования. Компания Analog Devices выпускает целую серию понижающих DC/DC-преобразователей, реализующих технологию Silent Switcher 2 [1]. Отличительной чертой этих преобразователей является очень низкий уровень электромагнитных помех, создаваемых ими при работе. Рассмотрим работу таких преобразователей, параметры которых приведены в табл. 1. Рассмотрим кратко основные характеристики этих преобразователей.

e mail: ekis@vdmais.ua

he article provides brief information about the main parameters of step-down converters made using Silent Switcher 2 technology, characterized by a low level of electromagnetic interference. The simulation results of these converters in the LTspice program are presented. V. Makarenko

Аbstract –

LT8648S Низкое значение ЭМП при размещении на печатной плате любой конструкции. Возможность работы в режиме расширения спектра. Основные параметры преобразователя [2]: • высокая эффективность на высокой частоте ♦ КПД до 95.5% при частоте коммутации ключей 1 МГц, Uвх = 12 В, Uвых = 5 В ♦ КПД до 93% при частоте коммутации ключей 2 МГц, Uвх = 12 В, Uвых = 5 В • широкий диапазон входного напряжения от 3 до 42 В • максимальный выходной ток 15 A • пульсации выходного напряжения <10 мВ (от пика до пика) • малое время переходного процесса • время включения из спящего режима не более 25 нс • возможность работы в принудительном непрерывном режиме • диапазон изменения частоты коммутации ключей (регулируемый и синхронизируемый) от 200 кГц до 2,2 МГц • формирование сигнала Power Good • безопасно выдерживает значительный обратный ток • диапазон рабочих температур ♦ –40…125 °C для ИМС LT8648SEV ♦ –40…150 °C для ИМС LT8648SJV, LT8648SHV • корпус LQF-36 • габаритны размеры 7×4 мм. Типовая схема включения LT8648S приведена на рис. 1, а на рис. 2 зависимости КПД и рассеиваемой мощности от тока нагрузки при различных значениях частоты коммутации ключей. С функциональной схемой преобразователя можно ознакомиться в [2].

№ 1, январь-март 2020

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Таблица 1. Параметры понижающих преобразователей Silent Switcher 2 Число выходов

Uвх.мин., B

Uвх.макс., B

Iвых, A

LTC3307A *

2.25

5.5

3.6

LQFN-12, 2×2×0.74 мм

LTC3308A *

2.25

5.5

6.4

LQFN-12, 2×2×0.74 мм

LTC3309A *

2.25

5.5

7.8

LQFN-12, 2×2×0.74 мм

LTC3310S

2.25

5.5

1300

LQFN-18, 3×3×0.94 мм

LT8609S

4.75

1.7

DFN -10 , 3×3 мм

LT8640S

3.4

1.7

DFN -8, 2×2 мм

LT8640S-2

3.4

1.7

LQFN-24, 4×4×0.94 мм

LT8642S

2.8

230

LQFN-24, 4×4×0.94 мм

LT8643S

3.4

1.7

LQFN-24, 4×4×0.94 мм

LT8643S-2

3.4

1.7

LQFN-24, 4×4×0.94 мм

LT8645S

3.4

1.7

LQFN-32, 6×4×0.94 мм

LT8646S

3.4

LQFN-32, 6×4×0.94 мм

LT8648S *

320

LQFN-36, 7×4×0.94 мм

LT8650S

8,5

3.7

LQFN-32, 6×4×0.94 мм

LT8650S-1

8,5

3.7

LQFN-32, 6×4×0.94 мм

LT8652S *

8.5

28.5

210

LS8, 4×7×1.45 мм

LTC7150S

3.1

2000

BGA-42, 6×5×1.3 мм

LTC7151S

3.1

2000

LQFN-28, 4×5×0.74 мм

Тип

Ток ключа, Iпотр., мкА A

Корпус

* Преобразователи, которые были освоены в производстве в четвертом квартале 2019 г. Проверить работу этого преобразователя можно с помощью моделирования в программе LTspice компании Analog Devices [3-7]. На рис. 3 приведена модель для исследования преобразователя LT8648S.

Рис. 1. Типовая схема включения преобразователя LT8648S

Рис. 3. Модель для исследования преобразователя LT8648S

Рис. 2. Зависимости КПД и рассеиваемой мощности LT8648S от тока нагрузки при различных значениях частоты коммутации ключей

Модель позволяет контролировать форму токов и напряжений в различных точках схемы, измерять спектр и рассчитывать КПД. Директива .tran 0 1m 0.1m задает время анализа 1 мс и начало фиксации результатов моделироwww.ekis.kiev.u

№ 1, январь-март 2020

вания через 0.1 мс после начала работы. Длительность переходного процесса для LT8648S составляет примерно 70 мкс при выходном напряжении 5 В, токе нагрузки 15 А и входном напряжении 12 В. Для анализа спектрального состава тока источника входного напряжения и оценки КПД преобразователя необходимо: • начать регистрацию результатов моделирования после завершения переходного процесса • добавить директиву анализа спектрального состава исследуемых сигналов • добавить директиву для измерения КПД преобразователя. Набор директив для указанных типов анализа имеет вид: • .four 100 10 100 • .meas Pin AVG -I(V1)*V(Vin) • .meas Pout AVG I(R3)*V(Vout) • .meas eff param Pout/Pin Преобразование Фурье осуществляется с разрешающей способностью 100 Гц (первая цифра в директиве .four). Для расчета КПД вычисляется мощность, отбираемая от источника входного напряжения, с помощью директивы .meas Pin AVG -I(V1)*V(Vin) и мощность, рассеиваемая на сопротивлении нагрузки, с помощью директивы .meas Pout AVG I(R3)*V(Vout). КПД рассчитывается как отношение выходной мощности к мощности, потребляемой от источника входного напряжения, с помощью директивы .meas eff param Pout/Pin. Временные диаграммы тока источника входного напряжения и напряжения на нагрузке приведены на рис. 4.

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Как следует из рис. 4, амплитуда пульсаций выходного напряжения не превышает 10 мВ (от пика до пика). Спектры выходного напряжения преобразователя и тока источника входного напряжения приведены на рис. 5 и 6, соответственно.

Рис. 5. Спектр выходного напряжения преобразователя на ИМС LT8648S

Рис. 6. Спектр тока источника входного напряжения преобразователя на ИМС LT8648S

Рис. 4. Временные диаграммы тока источника входного напряжения (зеленая кривая) и напряжения на нагрузке преобразователя на ИМС LT8648S

e mail: ekis@vdmais.ua

Коэффициент полезного действия, рассчитанный программой можно прочесть, открыв пункт меню Spice Error Log (рис. 7). Фрагмент файла Spice Error Log приведен ниже. pin: AVG(-i(v1)*v(vin))=78.9441 FROM 0 TO 0.0009 pout: AVG(i(r5)*v(vout))=75.1396 FROM 0 TO 0.0009 eff: pout/pin=0.951808 Полученный при моделировании КПД равен 95.18%, а в datasheet (рис. 2) при частоте коммутации силовых ключей 2 МГц КПД составляет пример-

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Рис. 7. Выбор пункта меню Spice Error Log

но 92%. Т.е. результаты моделирования показывают более высокий КПД и это нужно учитывать при оценке параметров преобразователя. В [2] для уменьшения уровня помех рекомендуется использовать фильтр нижних частот, включенный между источником питания и входом преобразователя, как показано на рис. 8. В результате применения фильтра КПД уменьшился незначительно, до 95%, характер спектра выходного напряжения практически не изменился (рис. 9), а спектр тока потребляемого от источника питания существенно изменился (рис. 10). Уровень спектральной составляющей с максимальной амплитудой с 15 дБ уменьшился до -32 дБ. Изменился и характер спектра. Уровень составляющей с частотой коммутации ключей 2 МГц снизился до -85 дБ. ИМС LTC8648S может работать в трех различных режимах, устанавливаемых изменением напряжения на входе MODE/SYNC: 1. Режим пропуска импульсов. На вывод MODE/SYNC необходимо подать напряжение, величина которого превышает напряжение на выводе

№ 1, январь-март 2020

Рис. 9. Спектр напряжения на нагрузке при использовании ФНЧ в преобразователе на ИМС LT8648S

Рис. 10. Спектр тока, потребляемого от источника питания при использовании ФНЧ (зеленый) и без ФНЧ (красный) в преобразователе на ИМС LT8648S обратной связи FB на величину не менее 7.7% от UFB. 2. Принудительный непрерывный режим. Вывод MODE/SYNC не подключен (плавающий потенциал).

Рис. 8. Схема включения преобразователя LT8648S с дополнительным фильтром нижних частот

www.ekis.kiev.u

№ 1, январь-март 2020

3. Прерывистый режим (Burst Mode). Вывод MODE/SYNC подключен к общему проводу или к выходу логической ИМС с низким напряжением логического нуля (не более 0.7 В). В режиме пропуска импульсов генератор работает непрерывно, а для регулирования выходного напряжения некоторые импульсы управления силовыми ключами пропускаются. В этом режиме обратный ток через катушку индуктивности не протекает. В принудительном непрерывном режиме (FCM – Forced Continuous Mode) генератор работает непрерывно. Верхний транзисторный ключ открывается при поступлении каждого импульса от генератора, а регулировка выходного напряжения осуществляется реверсом направления протекания тока через катушку при малых токах в нагрузке. В этом режиме обеспечивается минимальный уровень пульсаций выходного напряжения. В преобразователе LT8648S в принудительном непрерывном режиме сокращается время переходного процесса при скачкообразном изменении нагрузки. На рис. 11 проиллюстрирована эффективность использования режима FCM.

Рис. 11. Временные диаграммы выходного напряжения при скачкообразном изменении нагрузки в преобразователе на ИМС LT8648S

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Рис. 12. Временные диаграммы сигналов при малых токах нагрузки в режиме Burst Mode преобразователя на ИМС LT8648S работы с регулировкой выходного напряжения с помощью ШИМ-модуляции. Преобразователь LT8648S может работать в режиме внешней синхронизации, сигнал которой подается на вход MODE/SYNC. Длительность импульсов сигнала внешней синхронизации должна быть не менее 50 нс и период следования не менее 100 нс. Для уменьшения уровня ЭМП предусмотрен режим расширения спектра (Spread Spectrum Mode) сигнала управления силовыми ключами преобразователя. Чтобы включить режим Spread Spectrum вывод SYNC/MODE нужно соединить с выводом INTVCC. В этом режиме сигнал управления модулируется по частоте треугольным сигналом 3 кГц. К сожалению, в модели, приведенной на рис. 3 режим Spread Spectrum не поддерживается. Выходное напряжение устанавливается делителем напряжения R2 и R3 (рис. 3), подключенным к выводу обратной связи FB. Сопротивление резисторов можно рассчитать по формуле R2 = R3[(VOUT/0.6 В) – 1].

В режиме Burst Mode при малых токах нагрузки выходной конденсатор заряжается до напряжения немного выше требуемого. Затем преобразователь переходит в состояние сна, а выходной конденсатор обеспечивает необходимый ток в нагрузке. Когда выходное напряжение падает ниже заданного значения, преобразователь включается и опять начинается заряд конденсатора пакетом импульсов (рис. 12). Длительность интервала сна уменьшается с увеличением тока нагрузки. При значительном увеличении тока нагрузки преобразователь переходит в режим непрерывной e mail: ekis@vdmais.ua

Если сопротивление резистора R2 больше 20 кОм, то параллельно резистору следует подключать конденсатор емкостью 4.7…47 пФ. Рекомендуется сопротивления резисторов выбирать из ряда Е192 с точностью 0.1%. Частота коммутации силовых ключей задается внутренним генератором, построенном на основе системы ФАПЧ, и может изменяться в диапазоне от 200 кГц до 2.2 МГц. Частота сигнала на выходе генератора определяется сопротивлением резистора, подключенного к выводу RT (резистор R1 на рис. 3),

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

№ 1, январь-март 2020

величину которого можно рассчитать по формуле RT = (44.8/fsw) – 5.9, где RT задается в кОм, fsw – в МГц в диапазоне от 0.2 до 2.2 МГц. Для уменьшения влияния входной емкости цепи обратной связи на длительность переходного процесса, параллельно резистору R2 (рис. 8) включается дополнительный корректирующий конденсатор C7. Значение емкости этого конденсатора может находится в диапазоне 1…22 пФ и определяется экспериментально либо путем моделирования. Значения емкости для типовых случаев применения LTC8648A можно найти в [2]. При выборе катушки индуктивности следует учитывать среднеквадратическое значение выходного тока, номинальное значение тока насыщения и сопротивление катушки. Индуктивность катушки можно рассчитать по формулам для VOUT/VIN.max≤ 0.5

(1)

для VOUT/VIN.max ≥ 0.5,

(2)

где K = 1.2 А, fsw – подставляется в Гц. Например, для выходного напряжения 1.2 В при максимальном значении входного напряжении 5.5 В значение индуктивности, рассчитанное по формуле (1) составит 0.39 мкГн. Катушку следует выбирать так, чтобы ток насыщения катушки (обычно обозначается ISAT) был больше чем сумма максимального ожидаемого тока нагрузки и половины амплитудного значения тока пульсаций ∆IL, протекающего через катушку. Ток через катушку можно рассчитать по формуле

Ток пульсаций можно рассчитать по формуле

Многие из ИМС преобразователей позволяют соединять их параллельно для увеличения выходного тока. Например, на рис. 13 приведена функциональная схема соединения двух ИМС LT8648S, позволяющая сформировать выходной ток 30 А. Более подробно с параметрами преобразовате-

Рис. 13. Функциональная схема соединения двух ИМС LT8648S параллельно лей, схемами их включения и рекомендациями по расчету параметров элементов можно найти в [1] и на сайте компании Analog Devices.

ЛИТЕРАТУРА 1. https://www.analog.com/en/parametricsearch/11001#/ 2. https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/LT8648S.pdf 3. https://www.analog.com/en/design-center/designtools-and-calculators/ltspice-simulator.html 4. В. Макаренко Программа моделирования электронных схем LTspice от Linear Technology, часть 1/ Электронные компоненты и системы, №4(220), 2017. c. 46-56. Url: http://www.ekis.kiev.ua/UserFiles/Image/pdfArticles/2 017_4/V.Makarenko_The_software_for_modeling_elect ronic_circuits_LTspice_part_1_EKIS_4_2017.pdf 5. В. Макаренко Программа моделирования электронных схем LTspice от Linear Technology, часть 2/ Электронные компоненты и системы, №1(221), 2018/ c. 36-47. Url: http://www.ekis.kiev.ua/UserFiles/Image/pdfArticles/2 018_1/EKIS_1(221)_2018s.pdf 6. В. Макаренко Программа моделирования электронных схем LTspice, часть 3 / Электронные компоненты и системы, №2(222), 2018/ c. 52-62. Url: http://www.ekis.kiev.ua/UserFiles/Image/pdfArticles/2 018_2/Makarenko_V._The_software_for_modeling_ele ctronic_circuits_LTspice,_part_3_EKIS_2(222)_2018.p df 7. В. Макаренко Программа моделирования электронных схем LTspice, часть 4 / Электронные компоненты и системы, №3(223), 2018. c. 52-62. Url: http://www.ekis.kiev.ua/UserFiles/Image/pdfArticles/2 018_3/Makrenko_V.V._LTspice_part4_EKIS_3(223)_20 18.pdf www.ekis.kiev.u

Научно-технический журнал. Предназначен для разработчиков и производителей электронной и электротехнической аппаратуры, средств телекоммуникаций, компьютерных и управляющих систем, промышленной и транспортной электроники. Издается с 1996 года. Учредитель и издатель журнала – НПФ VD MAIS.

НПФ VD MAIS Центральный офис:

Региональные представительства:

03061 Киев ул. М. Донца, 6 Тел.: (+38-044) 201-0202, 492-8852 Факс: (+38-044) 202-1110 E-mail: info@vdmais.ua http:// www.vdmais.ua

61070 Харьков ул. Академика Проскуры, 1 тел./факс: (057) 719-6718, 716-4266 s.momot@vdmais.ua

Ukraine 03061 Kyiv, M. Dontsia St. 6 tel.: (+38-044) 201-0202, 492-8852 fax: (+38-044) 202-1110

49006 Днепр пр. Пушкина, 55, оф. 504 тел./факс: (0562) 319-128 g.boreyko@vdmais.ua 65005 Одесса ул. Головковская, 36, оф. 20 тел./факс: (048)734-1954 a.bilous@vdmais.ua 79058 Львов пр. В. Чорновола, 67, оф. 319 тел./факс: (095) 283-8246 s.luschak@vdmais.ua 69000 Запорожье бульвар Шевченко, 25, оф. 14 Руслан Моисеенко r.moiseienko@vdmais.ua тел. (095) 274 6897